Масс-спектрометрический метод контроля на герметичность

Данный метод основан на регистрации ионов пробного газа, проходящего через сквозные дефекты ОК с помощью масс-спектрометров. Масс-спектрометрия применяется при испытании газовых, гидравлических и других систем для определения утечек в конструкциях. 

         В качестве пробных газов при масс-спектрометрическом методе контроля на герметичность широко применяют гелий, поскольку он содержится в атмосфере и земле в незначительных количествах, химически инертен, не образует с элементами химических соединений, безвреден и безопасен. Как контрольный газ используют либо чистый гелий, либо его смесь с воздухом или азотом при концентрации гелия 10–75%.

         В контроле герметичности в первую очередь используются статические масс-спектрометры, разделение ионов в которых осуществляется с помощью постоянных или медленно изменяющихся магнитного и электрического полей, причем период изменения полей намного больше времени движения ионов в анализаторе. Образовавшиеся в масс-спектрометре положительные ионы разделяются по характерному для каждого из них отношению массы М иона к его заряду е. Отношение М/е - массовое число иона.

         Чувствительность – это минимальное регистрируемое парциальное давление газа и зависит от характеристик датчика масс-спектрометра и возможностей измерительной схемы. Для статических масс-спектрометров чувствительность выражается в единицах на паскаль или амперах на паскаль, а также в долях процента и показывает, какую долю каждого компонента газа способен обнаружить данный прибор. Чувствительность масс-спектрометров неодинакова для разных газов.

         Разрешающая способность представляет собой отношение массового числа М к наименьшему различаемому его изменению ΔМ, т.е. разрешающая способность численно равна массовому числу, при котором могут быть полностью разделены соседние массы, отличающиеся друг от друга на единицу, и составляет для статических масс-спектрометров ≥ 30 единиц.

         Диапазон анализируемых масс для вакуумных измерений достаточно широк. Нижняя граница рабочего диапазона обусловлена трудностью выделения небольшого пика рабочего газа над фоновым отсчетом (сигнал/шум), а верхняя определяется отклонением от линейного закона зависимости тока ионов анализируемого компонента от давления и соответственно равна для статических масс-спектрометров десять в минус второй степени…десять в минус девятой степени Па.

         В масс-спектрометрии используются гелиевые течеискатели.

Схема гелиевого течеискателя. 1 – нагретая сетка отражателя; 2 – электронный пучок; 3 – молекулы газа из испытуемого изделия; 4 – постоянный магнит; 5 – тяжелые ионы; 6 – ионы гелия; 7 – электрометрическая лампа; 8 – мишень; 9 – легкие ионы; 10 – пучок ионов; 11 – щель; 12 – вольфрамовая нить.

         Молекулы газа, входящего в масс-спектрометр, бомбардируются ионами, испускаемыми нагретой нитью. Пучок образованных в результате этой бомбардировки ионов ускоряется и фокусируется электрическим полем. Ионы, выходящие из щели, двигаются узким пучком. Все ионы имеют одну и ту же энергию, но разные массы и соответственно разные скорости.

         Затем ионы проходят между полюсами постоянного магнита, магнитное поле которого отклоняет ионы на круговые орбиты. Ионы, имеющие равные массы, после выхода из магнитного поля будут собираться в одной точке. Гелиевый течеискатель устроен таким образом, что в нем собираются только ионы гелия. Их поток образует слабый электрический ток, который может быть детектирован, усилен и использован для того, чтобы привести в действие электрический прибор, регулирующий уровень звукового сигнала.

         Основной технической характеристикой гелиевых течеискателей являетсячувствительность, или минимально регистрируемый поток пробного газа . Во многих случаях чувствительность течеискателя характеризуют также наименьшей отмечаемой концентрацией пробного вещества  в смеси газов, проходящей через течеискатель, а при наличии фонового содержания этого газа — наименьшим регистрируемым изменением этой концентрации.

         Ввиду того что масс-спектрометрический течеискатель реагирует на изменение парциального давления пробного вещества (гелия) в рабочем пространстве анализатора масс-спектрометра, характеристикой его чувствительности является также предельно малое парциальное давление пробного газа .

         Градуировать течеискатель и определять чувствительность метода нужно перед началом контроля герметичности изделий с применением специальной калиброванной течи. Поэтому чувствительность гелиевых масс-спектрометрических течеискателей, обладающих собственной вакуумной откачной системой и фиксированным рабочим давлением, определяют двумя способами:

         - по потоку гелия через калиброванную диффузионную течь известных размеров;

         - по смеси известной концентрации.