O detektorech netěsností
Hledání netěsnotí pomocí héliových hledačů netěsnotí
Typy netěsností
Netěsnosti se mohou objevit hlavně v defektních spojích (pevných nebo rozebíratelných):
- Svařované nebo pájené spoje, spoje kov-sklo, kov-keramika.
- Póry a praskliny např. v důsledku mechanických nebo tepelných pnutí.
- Přírubové spoje.
- Netěsnosti ve spojích objevující se při tepelných cyklech (často vratné).
- Netěsnosti na přívodech medií (chladicí voda, kryogenní chlazení).
- Virtuální netěsnosti (různé „mrtvé“ prostory pod šrouby, ve svarech apod.).
- Permeace v důsledku porosity materiálů (např. přes elastomerová těsnění).
U vakuových aparatur lze očekávat netěsnosti při výrobě a montáži vakuové komory a různých potrubí. Rovněž tak se můžeme setkat s netěsnostmi při výrobě různých tlakových komponent (např. prvků klimatizačních zařízení).
Testovací plyn
K hledání netěsností se často používá testovací plyn. Testovací plyn by měl mít následující vlastnosti:
- Bezpečný z hlediska obsluhy (zdravotně nezávadný).
- Jednoznačná detekce (jednoznačný signál ve spektru zbytkových plynů).
- Chemicky a fyzikálně netečný (inertní).
- Jednoznačná detekce (jednoznačný signál ve spektru zbytkových plynů).
- Malý obsah ve vzduchu.
- Snadno odstranitelný čerpáním.
- Nekontaminující systém.
Helium, nejčastěji používaný plyn, splňuje všechny tyto podmínky. Pro dosažení nejvyšší citlivosti je k detekci testovacího plynu přednostně používán hmotnostní spektrometr.
Héliové hledače netěsností na principu hmotnostního spektrometru
Jako analyzátor zbytkových plynů může být použit kterýkoliv princip, např. kvadrupól, ale nejčastěji používaný a nejspolehlivější je 180° magnetický sektorový analyzátor, nastavený na atomovou hmotnost 4. Schéma takového hmotnostního spektrometru je na obr. 1.
Na obr. 1. je schematicky ukázán princip hmotnostního analyzátoru heliového hledače.
Základní části jsou:
- Iontový zdroj.
- Separační systém.
- Detektor iontů.
Molekuly zbytkového plynu v iontovém zdroji jsou bombardovány elektrony ze žhavené katody, vzniklé ionty jsou urychleny rozdílem napětí na elektrodách a nasměrovány do magnetického pole. Magnetické pole je vytvářeno permanentním magnetem. Systém clon omezí průchod iontů lehčích a těžších než ionty helia. Prošlé heliové ionty dopadají na iontový kolektor a jejich proud (množství) je měřen. V oblasti iontového zdroje a analyzátoru musí být tlak menší než 10-2 Pa (střední volá dráha 60 cm a více).
Obr. 1 Schéma mg. hmotnostního analyzátoru
Historie héliových detektorů / héliových hledačů netěsností
Uspořádání hledače se systémem „direct flow“.
Myšlenka použít heliový hledač k detekci netěsností se objevila při realizaci projektu Manhattan v létech 1942/43 (projekt přípravy vysoce obohaceného uranu izotopem U235 pro výrobu atomové bomby). První publikace se objevily v r. 1947.
Z počátku byl čerpací systém heliového detektoru tvořen soustavou rotační olejová vývěva + difuzní vývěva. Pro zvýšení čerpací rychlosti pro obecné plyny (hlavně vodní páru) a pro potlačení vlivu olejových par byl nad difuzní vývěvou instalován lapač olejových par, chlazený obvykle kapalným dusíkem. K testované komoře byl hledač připojen přímo, („direct flow“), přes škrticí ventil (s malou vodivostí, regulovatelný). Hledače tohoto typu (viz schéma na obr. 4.) měly řadu nevýhod: dlouhou dobu náběhu (dáno náběhem difuzní vývěvy), nepohodlnou manipulaci s kapalným dusíkem a omezený vstupní tlak z hlediska ochrany hmotnostního analyzátoru (nebezpečí spálení žhavené katody).
Uspořádání heliového detektoru „counter flow“ (protiproud) dle patentu W. Beckera (Patent No. US 3 520 176 z r. 1970, priorita 1967).
Heliové hledače, původně čerpané difuzní vývěvou se výrazně změnily s čerpáním turbomolekulární vývěvou. Jejich citlivost se zvýšila z hodnot řádu 10-7 Pa m3/s (10-6 mbar l/s) na hodnoty řádu 10-13 Pa m3/s (10-12 mbar l/s) dnes.
Vstup do hledače je přiveden mezi primární vývěvu a turbovývěvu, testovací plyn z testované komory se dostává do hmotnostního spektrometru proti směru čerpání turbomolekulární vývěvy („counter flow“), viz obr. 5. Hmotnostní spektrometr je tak stále čerpán na vysoké vakuum a na vstupu hledače můžeme mít tlak až řádu kPa. V současné době většina hledačů využívá tento princip. K patentování principu „counter flow“ došlo v r. 1967 (W. Becker). V roce 1985 byl hledač s turbomolekulární vývěvou uveden na trh (ASM 110 TURBO CC).
Schéma současného heliového hledače s rozšířeným systémem „counter flow“, přípojkou pro atmosférickou sondu V6 („čichač“) a kalibrační netěsností připojenou přes ventil V5.
Výhody současných hledačů s turbomolekulární vývěvou:
- Rychlý náběh.
- Není třeba používat kapalný dusík.
- Vysoký vstupní tlak (lze hledat i při „špatném“ vakuu).
- Vysoká citlivost řádu 10-12 mbar l/s.
Základní metody detekce netěsností héliem
Vakuový mód
Při hledání netěsností na vakuovém systému je testovaná komora čerpána a heliový detektor je připojen buď přímo ke komoře, nebo k soustavě vývěv. Testovacím (zkušebním) plynem – heliem ofukujeme místa, kde bychom netěsnost mohli očekávat. V kladném případě helium vnikne do komory a jeho koncentrace je měřena hmotnostním spektrometrem, který je srdcem heliového hledače. Kromě tohoto způsobu je možné testovaný předmět/komoru umístit do obálky, která je naplněna heliem. V tom případě detekujeme celkovou (totální netěsnost). V praxi je často používán způsob, kdy část aparatura je přikryta např. plastovou folií, pod folii přivedeme helium a blížíme se tak k integrálnímu heliovému testu.
„Čichací“ mód
Testovaný předmět je naplněn heliem, obvykle při mírném přetlaku (několik desetin MPa, tj. několik bar). Předpokládanými netěsnostmi proudí helium do atmosféry, kde je snímáno a detekováno atmosférickou sondou („čichač“, sniffer, Schnüffler). Atmosférická sonda je obvykle tvořena kapilárou, na které vznikne spád tlaku (z atmosférického tlaku na tlak daný primární vývěvou hledače). Helium unikající netěsností se dostává jako zpětný proud do hmotnostního spektrometru hledače a je detekováno. Test atmosférickou sondou je vhodný spíše pro menší objemy vzhledem ke spotřebě helia.
