Методы течеискания. 
Электроника. 
Часть 1 вакуумная и плазменная электроника

Наряду" с методами получения и измерения вакуума сохранение вакуума является важнейшим условием работы электронных приборов, включая электровакуумные, квантовые и другие устройства.

Одним из методов контроля приборов на герметичность являются методы течеискания, позволяющие устранить течи или место нарушения целостности оболочки и обеспечить герметичность приборов.

Величина течи определяется потоком натекающего через течь газа в единицу времени. Количество натекающего газа определяется произведением объема проникшего газа V на его давление Р. В системе СИ поток измеряется в Вт, а на практике в качестве единицы измерения потока газа используется произведение 1 литра на давление микрон рт. ст. (л х мкм рт. ст.), что соответствует 1,33×10⁴ Вт.

Режим протекания газов через течи в вакуумных системах в зависимости от размеров и формы течи, природы газа, его температуры и давления может быть молекулярным, вязкостным и молекулярно-вязкостным.

Методика установления степени герметичности вакуумной системы сводится к подаче со стороны оболочки пробного, легко идентифицируемого вещества, а со стороны вакуумной среды фиксируются количественные изменения содержания пробного вещества. На сегодняшний день разработаны различные методы контроля герметичности вакуумной системы, среди которых следует отметить методы опрессовки и искрового разряда, манометрический, люминесцентный, манометрический, масс-спектрометрический метод и др. Манометрический метод испытания на герметичность широко применяется, поскольку в каждой вакуумной установке есть хотя бы один вакуумметр, который может быть использован для выявления течей.

С помощью вакуумметра можно определить суммарный поток натекания через течи в систему и обнаружить места течей. Если при заливке жидкого азота в охлаждаемые ловушки показания вакуумметра не изменяются и составляют завышенное значение по сравнению с расчетными или полученными ранее, то это свидетельствует о наличии течей в системе. Для определения суммарного потока натекания через течи необходимо отсоединить испытуемую систему от средств откачки. По показаниям вакуумметра, снятым через определенные промежутки времени, необходимо построить зависимость давления от времени, определяемую суммарным потоком газовыделения внутренних поверхностей системы и потоком натекания через течи (рис. 2.14). Суммарный поток определяется углом наклона касательной / к кривой 2 в ее начальной точке, а поток натекания — углом наклона прямолинейного участка кривой 2 к оси абсцисс.

Рис. 2.14. Зависимость давления в изолированной вакуумной системе от времени.

Для определения потока натекания необходимо совершить следующие действия:

• 1. Установить момент времени /, в который начинается близкое к линейному изменение давления (при этом устанавливается равновесный поток газовыделения и дальнейшее повышение давления в системе происходит только вследствие натекания через течи).
• 2. Измерить давление /?, в вакуумной системе, соответствующее моменту времени
• 3. Выждать время наблюдения Дt и измерить давление р₂, соответствующее моменту времени /₂.
• 4. Определить изменение давления Ар за время наблюдения At и суммарный поток натекания пб формуле Q = V • Ар/At, где V — объем проверяемой системы, m^j; At — время наблюдения, с.

В системах с большим газовыделением манометрический преобразователь целесообразно подсоединить через охлаждаемую ловушку, применение которой повышает эффективность поглощения продуктов газовыделения и позволяет уменьшить время выхода на линейный участок характеристики (рис. 2.14). При измерениях уровень жидкого азота в ловушке должен быть постоянным.

При испытаниях газонаполненных систем испытуемый элемент помешают в вакуумную камеру, в которую подают воздух под избыточным давлением. О степени негерметичности судят по изменению показаний манометрических преобразователей вакуумной камеры при известном изменении избыточного давления в элементе. Место течи определяют по изменению показаний вакуумметра при подаче на отдельные участки поверхности пробного вещества. Наиболее чувствительны к течи нсабсолютные манометрические преобразователи, показания которых зависят от рода газа. Для получения количественной оценки обнаруживаемых течей предварительной градуировкой манометрического преобразователя устанавливают его чувствительность по воздуху к_н и пробному газу к_п.

При работе с неабсолютным манометрическим преобразователем изменение его сигнала вследствие замены потока воздуха через течи потоком пробного вещества может быть обусловлено тремя факторами:

• ? различными скоростями натекания воздуха и пробного вещества через течи;
• ? различными значениями быстроты откачки воздуха и пробного вещества насосами испытуемой системы;
• ? различными чувствительностями манометрического преобразователя к воздуху и пробному веществу.

Рекомендуется использовать пробное вещество, для которого все три фактора вызывают либо увеличение, либо уменьшение показаний вакуумметра, т. е. чтобы удовлетворялось неравенство.

где и S_n— быстрота действия насоса при откачке воздуха и пробного вещества, соответственно, м³/с; QgwQn— поток через течь воздуха и пробного вещества, соответственно, Па м³/с; К_н н К_п— коэффициенты чувствительности манометрических преобразователей к воздуху и пробному веществу, соответственно, А/Па.

Используя манометрический преобразователь с линейной характеристикой, испытания второго этапа можно проводить с количественной оценкой обнаруживаемых течей. Для этого необходимо:

• 1. Снять показания р, манометрического преобразователя, отградуированного по воздуху до подачи пробного вещества на течь.
• 2. Обдуть пробным газом или смочить пробной жидкостью предполагаемые места течи и снять показания вакуумметра р₂ при вновь установившемся давлении.
• 3. Определить разницу давлений Др = р₂-р, по воздушному эквиваленту и рассчитать поток газа через течь, вызвавший реакцию вакуумметра для молекулярного режима:

Для вязкостного режима:

где vМ_п! М_в— отношение молярных масс пробного вещества и воздуха; 5 = S_n/ Sg— отношение эффективных скоростей реакции на пробное вещество и воздух; $ = к_п/ к_я — коэффициент относительной чувствительности манометрического преобразователя по пробному веществу; (, = ц_п/ г_н— отношение динамических вязкостей пробного вещества и воздуха.

Если в испытуемой системе применено селективное средство откачки с S_n = 0, то обнаруженный поток газа через течь оценивают по формуле.

где Др/7 — изменение давления пробного вещества за время Д/.

Жидкие пробные вещества вызывают большую реакцию вакуумметра, нежели пробный газ. Так, в частности, реакция вакуумметра на пары ацетона почти на три порядка больше, чем реакция на гелий.

Масс-спектрометрический метод основан на процессах ионизации газов и паров с последующим разделением и анализом ионов в магнитных и электрических полях. Метод отличается высокой чувствительностью и универсализмом. Основным элементом такого типа течеискателя является масс-спектрометрический анализатор с магнитным отклонением пучка ионов. С помощью масс-спектрометрического течеискателя контроль герметичности и поиск течей может осуществляться различными способами: обдув, накопление, использование гелиевых чехлов, щупа и вакуумных присосок. Масс-спектрометрические течеискатели выпускаются промышленностью (ПТИ-7А, ПТИ-9, ПТИ-10, СТИ-8) с соответствующими инструкциями по применению тех или иных способов поиска течей.