Helowy wykrywacz nieszczelności

Bywa, że od realizacji do opisu urządzenia upływa kilka lat. Tak jest i tym razem, bowiem poniżej opisuję urządzenie, które sobie złożyłem około 5 lat temu.

Użytkownik i konstruktor układów próżniowych staje często przed zagadnieniem sprawdzenia, czy układ próżniowy jest szczelny. Nierzadko się zdarza, że nawet niewielka nieszczelność wyklucza możliwość eksploatacji takiego układu. Przykładowo, jeśli mamy np. lampę elektronową o objętości 1 l (1.000.000 mm3) i ciśnieniu w środku 10^-6 Tr, to ilość gazu w środku jest rzędu 1 Tr*mm3 albo jak kto woli 10^-6 Tr*l (torolitra).
Jeśli do takiej lampy dostanie się pęcherzyk powietrza atmosferycznego wielkości łebka od szpilki - o objętości 1 mm3 to ilość gazu, która nacieknie odpowiada 760 Tr*mm3, czy jak kto woli 760*10^-6 Tr*l, tj. 7,6*10^-4 Tr*l.
Ciśnienie w takiej próżniowej lampie elektronowej wzrosłoby do 7,6*10^-4 Tr i nie nadawałaby się ona już do użytku.
Szybkość nacieku, zwaną natężeniem nieszczelności wyraża się najczęściej w Tr*l/s (totolitrach na sekundę), mTrl/s albo w jednoskach układu SI Pa*m3/s .
Widzimy więc, że już natężenie nieszczelności rzędu 7*10^-4 Trl/s psuje próżnię w naszej przykładowej lampie w czasie krótszym niż 1 sekunda do poziomu, w którym eksploatacja jej jest już niemożliwa - taki naciek w technice próżni uważamy zatem za bardzo duży. Niekiedy nawet śmiejemy się, że jest to dziura na przysłowiowy palec .

Znanych jest wiele sposobów sprawdzania szczelności w układach próżniowych, zaś ich stosowalność zależna jest od wielkości nacieku i możliwości obserwacji (np. możliwość wytworzenia w testowanej aparaturze nadciśnienia). Przy stosowaniu nadciśnienia może to być metoda baniek mydlanych, gdzie obserwuje się, czy w podejrzanym o nieszczelność miejscu pojawiają się bańki gazu. Nacieki rzędu 10^-4 Trl/s będą jeszcze możliwe do wykrycia ( banieczka wielkości szpilki co kilka sekund), natomiast nieszczelności mniejsze już będą sprawiać problem przy użyciu tej metody. Jest też metoda podciśnieniowa, w której podejrzane miejsce polewa się roztworem barwnika i po zapowietrzeniu sprawdza się, w którym miejscu od wewnątrz pojawiły się barwne kropki. Czułość tej metody jest również niewielka.
Są też metody wykorzystujące próżniomierz jonizacyjny i alkohol (lub inną ciecz organiczną łatwo parującą), gdzie po polaniu miejsca z nieszczelnością następuje obserwowalna zmiana (polepszenie) próżni wskutek "zaklejania" jej przez ciecz, a następnie parowania cieczy w próżni, rozkładowi par na gorącej katodzie (wzrost ciśnienia - pogorszenie próżni). Czułość tej metody jest rzędu 10^-8 Trl/s.

Najczulszą metodą jest metoda helowa, która wykorzystuje helowy wykrywacz nieszczelności. Czułość tej metody jest co najmniej rzędu 10^-10 Trl/s, a w nowoczesnych wykrywaczach dochodzi i do 10^-12 Trl/s. W tym ostatnim przypadku odpowiada to naciekowi banieczki helu o objętości 1 mm3 w czasie około 3 lat. Metoda ma kilka wariantów, ale skupię się tylko na jednym z nich. Badany obiekt przyłącza się do helowego wykrywacza nieszczelności i odmuchuje się gazem próbnym- helem. Wewnątrz badanego obiektu wytwarzana jest próżnia, wystarczająca do działania wykrywacza. Jeśli badany obiekt jest nieszczelny (dziurawy) hel przedostaje się do wykrywacza i jego koncentracja wzrasta w gazach resztkowych, stanowiących atmosferę próżniową. Wykrywacz jest czuły na hel, a praktycznie "głuchy" na inne gazy.

Konstrukcyjnie rzecz ujmując, helowy wykrywacz nieszczelności jest w zasadzie spektrometrem mas, nastrojonym na linię helu. Fabryczne wykrywacze mają szereg udogodnień, które powodują, że ich eksploatacja sprowadza się w zasadzie do zamocowania badanego obiektu na wlocie wykrywacza, naciśnięcia przycisku "start", odmuchania obiektu helem, odczytania wielkości nacieku, naciśnięciu przycisku "stop" i zdjęciu badanego obiektu z wykrywacza. Niestety, cena nowego wykrywacza jest rzędu kilkudziesięciu...stu tysięcy złotych, co wyklucza stosowanie takiego nowego urządzenia w praktyce amatorskiej.

Z tego względu podjąłem się swego czasu budowy takiego przyrządu własnymi siłami, godząc się na pewne ustępstwa. Przede wszystkim pogodziłem się z utratą czułości, która dla mojego wykrywacza wynosi co najwyżej 5*10^-10 Trl/s. Po drugie, wykorzystałem głowicę fabryczną spektrometru, pochodzącą ze starego radzieckiego wykrywacza PTI-10. Samodzielna budowa takiej głowicy jest wprawdzie możliwa, ale mając ją gotową oszczędziłem sobie tego trudu. Wyrzuciłem jednak z fabrycznej głowicy oryginalny ciężki 8kg magnes, zastępując go lżejszymi magnesami neodymowymi o rozmiarach płytek 10x10 cm. Wyrzuciłem też lampowy wzmacniacz prądu jonowego. Po trzecie wreszcie, pogodziłem się z mniejszą wygodą obsługi, która wymaga od operatora więcej uwagi. Wykrywacz ma małą "przepustowość", co oznacza, że przed każdym sprawdzeniem kolejnego obiektu trzeba zatrzymać pompy. Taka jest jednak cena zastosowania próżniowych zaworów ręcznych (w wykrywaczach fabrycznych stosuje się obecnie elektromagnetyczne).

Co się tyczy głowicy spektrometru, jest to spektrometr tzw. 180 stopniowy, tzn. wiązka jonów jest w nim odchylana pod takim właśnie kątem. Jest to więc odmiana spektrometru Dempstera, pochodzącego jeszcze z lat 20. XX wieku.
dempst..JPG Download (233.39 kB)
Jony są wytwarzane w poprzecznym źródle, poprzez bombardowanie cząsteczek gazów elektronami z gorącej katody wolframowej. Jony te, uformowane polem elektrycznym w wiązkę są skręcane w poprzecznym polu magnetycznym, wytworzonym przez magnesy. Tylko jony o stosunku ładunku do masy odpowiadającym jonom helu przelatują przez szczelinę i trafiają do kolektora jonów. Ten mały prąd jonowy jest miarą nieszczelności.

Układ wykrywacza składa się z olejowej pompy próżni wstępnej, pompy turbomolekularnej, próżniomierza próżni niskiej (Piraniego), próżniomierza próżni wysokiej (Penninga), głowicy spektrometrycznej (spektrometr o kącie odchylania wiązki jonów 180 stopni) i układu elektroniki zawierajacej zasilacze, układ pomiaru prądu jonowego, generatora przestrajanego napięciem (VCO), układu pomiaru próżni wraz z prostą automatyką. Całość została zamocowana na wózku, który chyba był kiedyś stosowany jako barek do napojów.

hwn (2..jpg Download (1.61 MB)
Układ działa w sposób następujący: Badany obiekt dołącza się do króćca próżniowego na górze wykrywacza. Zakręca się zawór zapowietrzający i uruchamia się pompę olejową. Jednocześnie włącza się elektronikę wykrywacza. Gdy zaświeci się dioda "próżnia wstępna OK" (odpowiada temu wartość próżni około 10^-2 Tr) włącza się pompę turbomolekularną.
Gdy zaświeci się dioda "próżnia wysoka OK" (poziom próżni 10^-4 Tr) oznacza to gotowość do włączenia katody głowicy spektrometrycznej i zaświeca się lampka "gotowość". Jeśli został wybrany tryb włączenia katody automatyczny "Auto" pojawienie się sygnału gotowości spowoduje samoczynne włączenie się żarzenia katody i zaświecenie się lampki "katoda ON". Można też wybrać tryb ręczny- wówczas o tym, kiedy katoda zostanie włączona decyduje użytkownik, który bierze na siebie ciężar tej odpowiedzialności. Jest to przydatne w niektórych sytuacjach. Jeśli nieszczelność jest bardzo duża, wówczas w ogóle nie można osiągnąć próżni wstępnej. Jeśli jest nieco mniejsza, może się zdarzyć, że próżnia wstępna zostanie osiągnięta, ale próżnia wysoka będzie rzędu 2...3x10^-4 Tr. Wtenczas użytkownik, jeśli wie co robi, może ręcznie włączyć głowicę spektrometryczną i spróbować zlokalizować miejsce nacieku.
Jeśli katoda się przepali, wówczas nie zapali się lampka "Katoda ON" pomimo osiągnięcia odpowiedniego poziomu próżni lub próby ręcznego włączenia katody. Należy wówczas wymienić katodę na nową.

Gdy katoda się uruchomi, wówczas zazwyczaj następuje krótka niestabilna praca miernika prądu jonowego, spowodowana desorpcją gazów ze źródła jonów. Towarzyszy temu wychylenie wskazówki miernika oraz ość wysoki dźwięk z głośnika. Trzeba zaczekać na ustabilizowanie się wskazań i dobranie odpowiedniego zakresu czułości (przełącznik czułość). O ile obiekt jest szczelny, z głośnika słychać puknięcia 2-3 razy na sekundę. W przypadku nieszczelności puknięcia te mogą być częstsze (dostaje się do środka powietrze, zawierające małą ilość helu). Następnie zaczyna się odmuchiwanie obiektu helem i poszukiwanie miejsca nacieku. Jego znalezienie powoduje wychylenie wskazówki i zmianę wysokości dźwięku z głośnika, nawet do bardzo wysokiego gwizdu. Akustyczna sygnalizacja jest o tyle wygodna, że użytkownik nie musi obserwować wskazań miernika, a skupić się na lokalizacji miejsca nacieku. Ucho ludzkie dobrze bowiem wykrywa zmianę wysokości dźwięku. Po badaniu można zakręcić zawór łączący wykrywacz z testowanym obiektem i odłączyć ten obiekt. Przed przyłączeniem następnego obiektu należy przynajmniej zatrzymać pompę turbomolekularną.

Co pewien czas może być konieczna regulacja jednego z napięć zasilania głowicy spektrometrycznej, np. po wymianie katody. Wówczas jako obiekt przyłącza się tzw. helową nieszczelność wzorcową. Jest to kalibrowany naciek (podana jest na nim wielkość nacieku w dacie produkcji i spadek nacieku w % na rok). Wówczas pokrętłem "strojenie" można wyregulować wykrywacz na maksimum wskazań (szczyt piku lub najwyższy ton).
hwn.jpg Download (1.5 MB)
Strojenie sprowadza się tak naprawdę do ustawienia odpowiedniej trajektorii jonów helu. Można też wyregulować sobie wychylenie wskazówki tak, aby odpowiadało ono wartości nacieku z helowej nieszczelności wzorcowej.


Schematy urządzenia, sporządzone w formie papierowej znajdują się w pliku "zip", stanowiącym załącznik do tego opisu. Układ jest zbudowany w technologii analogowej. Film, pochodzący jeszcze z 2014 r., gdy zaczynałem budować ten przyrząd można obejrzeć tutaj: