Общие методы определения течей

Общие методы определения течей. До сих пор был описан ряд способов нахождения течей. Вкратце указывалось на различные этапы работы с момента запуска вакуумной системы до момента нахождения течи. Последующее описание относится в первую очередь к большим металлическим вакуумным системам, имеющим важное промышленное значение, но описанным в литературе менее подробно, чем стеклянные системы.

Предположим, что вакуумная система откачивается после того, как в ней было атмосферное давление, или после какой-либо аварии. Если соединенный с системой манометр, способный измерять давления порядка миллиметров ртутного столба, показывает давление выше 109 р. Hg, ясно, что диффузионный насос еще не может быть включен. Пэрвый шаг должен быть предпринят в направлении приблизительного определения места возможной течи. Это лучше всего сделать, перекрывая вентилями определенные части системы, соединенные с насосом предварительного разрежения, и измеряя быстроту натекания газа в систему. Сначала должна быть отсоединена от насоса предварительного разрежения основная часть системы, включающая пароструйный насос. Если в основной части системы течи нет, необходимо проверить масло механического насоса, так как его может быть мало или оно может быть грязное. Если установлено, что течь находится в основной части системы, то прежде всего необходимо проверить наиболее вероятные места течи, например фланцевые уплотнения. Если в этих местах течи нет, то в зависимости от давления в системе надо воспользоваться одним из описанных ранее способов определения течи. Ясно, что пользоваться в этом случае ионизационным манометром или манометром Кнудсена для определения давления невозможно. При обдувании такими газами, как метан, пропан или гелий, можно использовать теплоэлектрический манометр. Система также может быть проверена различными вариантами метода давления. Как только давление по компрессионному манометру или манометру сопротивления снизится до 100 pHg, можно включать пароструйный насос.

Если же спустя достаточное время после включения пароструйного насоса давление в системе продолжает оставаться достаточно высоким, что не дает возможности включить ионизационный манометр или непосредственно присоединенный к системе гелиевый течеискатель, необходимо применить один из методов обнаружения течи, описанный выше. Если дефект заключается в самом пароструйном насосе, то это можно установить, отключив пароструйный насос от вакуумной системы и измерив быстроту натекания в систему. После того как давление достигает таких значений, что уже можно пользоваться ионизационным манометром, но еще нельзя проводить в камере рабочий процесс, следует воспользоваться любым известным способом определения течи при низких давлениях. Наиболее быстро удается определить течь при помощи гелия и течеискателя, присоединенного к системе. Если такой прибор отсутствует, то можно использовать метод, основанный на изменении показания ионизационного или какого-либо другого манометра при обдувании системы пробным газом. Если этим способом обнаружить течь не удастся, можно испытать систему методом давления (гелий или воздух).

Устранение течей. Наиболее часто течи в вакуумной системе наблюдаются в уплотнениях с прокладками, в переходниках (для газа, воды и т. д.), в местах пайки и в сварных соединениях. Если течь обнаружена в резиновой прокладке, то уплотнение должно быть еще раз подтянуто, но не слишком сильно (см. гл. IV). Если эта мера не устраняет течи, то надо приостановить работу и разобрать уплотнение. В случае порчи прокладки ее необходимо заменить. Иногда бывает достаточно хорошо очистить прокладку и поверхность, к которой она прилегает. При соответствующей быстроте откачки системы можно пользоваться вакуумными смазками. Не рекомендуется устранять течи в прокладках такими уплотняющими материалами, как глипталевый лак, поскольку подобное устранение течи лишь временно и прокладка становится непригодной для дальнейшего использования. Переходники изготовляются из мягких металлов, обычно из меди, которая создает достаточное вакуумное уплотнение при прижимании двух поверхностей друг к другу. Если в таком переходнике обнаруживается течь, то надо сильнее затянуть гайку, сжимающую поверхности. При этом следует помнить, что слишком сильный зажим скручивает трубку, проходящую через гайку переходника. Если затягивание зажима не прекращает течи, небходимо перебрать соединение. Отжиг медного переходника почти всегда обеспечивает уплотнение. Если это невозможно сделать, то соприкасающиеся поверхности смазываются тонким слоем глипталя.

В спаянных соединениях и швах, если течь достаточно мала и давление близко к рабочему, можно место пайки промазать чистым глипталевым лаком. Когда натекание велико, но еще не настолько, что работа пароструйного насоса становится невозможной, можно использовать красный глипталевый лак для заделки мест течи. Прежде чем наносить глипталь, рекомендуется точно определить место течи. Слишком большие течи, которые невозможно устранить описанным выше способом, либо снова пропаиваются или провариваются в месте плохой сварки, либо та часть вакуумной системы, в которой обнаружена течь, заменяется новой.

Когда в состав вакуумной системы включены стеклянные части, возможно появление течи в местах соединения металла со стеклом (замазки и т. д. ) и в местах спайки стекла со стеклом (из-за трещин в стекле и кранах). В спаях металла со стеклом устранение течи зависит от характера спая. В случае, когда течь обнаружена в соединении, уплотненном замазкой, необходимо либо переделать соединение, либо заменить его другим. В других случаях для устранения течи можно использовать такой уплотняющий материал, как глипталь. Небольшие течи в стеклянных частях системы (в местах спая стекла со стеклом или вследствие наличия трещин и небольших отверстии) могут быть устранены при помощи глипталя, который наносится при комнатной температуре. Иногда можно использовать специальную замазку (такую как пицеин), для нанесения которой необходимо предварительно прогреть стекло. Если течь значительна, надо перепаять стекло или целиком заменить ту часть вакуумной системы, где обнаружена течь. Часто электрические вводы проходят в вакуумную систему через стеклянные трубки, которые обеспечивают электрическую изоляцию. Трубки эти уплотняются при помощи прокладок. В этом случае для устранения течи применимы методы, описанные ранее. Однако зажимать эти трубки при уплотнении надо чрезвычайно осторожно.

Если не соблюдать специальных предосторожностей, то часто возникают течи в подвижных вводах, в уплотнениях типа вильсоновских и т. д. При появлении течи в таком уплотнении подвижные части смазываются вакуумной смазкой. Для равномерного распределения смазки рекомендуется перемещать вал в момент смазывания. Более тщательное завертывание зажимных гаек также может устранить течь. Если и это не ликвидирует течь, необходимо разобрать и проверить детали уплотнения. В результате такой проверки может оказаться, что необходимы новые прокладки, дополнительная обработка некоторых деталей (особенно движущихся) или полная замена узла.

• Обезгаживание. Как в стеклянных, так п в металлических системах различные материалы, помещенные в вакуум, могут выделять адсорбированные газы и пары, которые производят тот же эффект, что и проникновение газа через течь. Главным образом это явление наблюдается в новых, еще не тренированных системах или после того, как в системе находился воздух при атмосферном давлении. Это часто имеет место, когда в вакуумную систему вводятся какие-либо новые материалы. При откачке системы можно напрасно затратить много времени на отыскание течи, когда в действительности внутри системы происходит десорбция газов различными поверхностями. Поэтому необходимо знание адсорбционных свойств различных материалов, используемых в вакуумной технике.

В дальнейшем кратко рассматриваются вопросы, связанные с предварительной обработкой некоторых материалов для использования их в вакууме, которая снижает продолжительность откачки системы, а также сокращает затрату времени на отыскание течей. Обычная операция обезгажпванпя для большей части материалов заключается в прогреве их на воздухе, в вакууме или в водороде. Для стекла вполне достаточно прогреть его на воздухе, в сушильной печи или в пламени горелки. Из мягких сортов стекол большая часть газов удаляется при продолжительном прогреве при температуре около 150° С, а одномолекулярные пленки водяного пара и адсорбированные газы—при температуре 300° С. Силикатное стекло и различные сорта твердых стекол прогреваются соответственно при температурах 400 и 500° С. Более высоких температур следует избегать, так как стекло размягчается и портится.

Большинство металлов в вакууме выделяет адсорбированные газы и, кроме того, газы выделяются при разложении оксидной пленки, покрывающей поверхность металла. Для уменьшения газоотделения металлы прогреваются в вакууме или в водороде. Такие материалы, как вольфрам, молибден и графит, обезгаживаются при температуре около 1800° С. Газ, адсорбированный при повторном воздействии атмосферного давления, может быть легко удален при незначительном нагревании. Для удаления поверхностных загрязнений многие металлы нужно прогревать в водороде. При этом газы, растворенные в металле вблизи поверхности, частично, замещаются водородом, который легко удаляется при последующем прогреве в вакууме. Для прогрева можно воспользоваться специальной печкой или генератором высокой частоты.

Помимо описанных выше способов, устраняющих газоотделе-ние в случаях, когда необходимо получить достаточно низкое давление (10~⁶ мм или ниже) без продолжительной затраты времени, особое внимание следует уделять выбору вакуумных материалов. Особенно следует быть внимательным при использовании различных вакуумных смазок, резины и других уплотняющих веществ. Данные по упругости пара некоторых веществ приведены в гл. IV и в приложениях в конце книги. Сведения по другим веществам, которых нет в этих таблицах, можно найти в соответствующей литературе¹). Эти сведения весьма полезны при конструировании вакуумных систем. В тех случаях, когда необходимо после откачки плотно закрыть систему, так чтобы в ней длительное время сохранялось низкое давление (например, радиолампы, катодно-лучевые трубки и т. д.), применяют специальные газопоглотители (геттеры). Для этого используют такие химически активные металлы, как барий, алюминий, кальций, тантал и магний, которые поглощают остаточные газы. Газопоглотитель распыляется в баллоне после того, как достигнуто нужное давление перед отпайкой прибора. Во время распыления газопоглотитель соединяется с остаточными газами, находящимися в баллоне, и это химическое соединение осаждается на стенках баллона. Некоторые газопоглотители, в частности барий, адсорбируют небольшие количества газа уже после того, как прибор отпаян от установки^{* 2}).

Если при работе больших металлических вакуумных систем с достаточной быстротой откачки необходимо иметь рабочее давление порядка 10^-5 мм Hg, нет нужды обезгажпвать металлические и стеклянные части системы. Однако к выбору материалов для помещения внутрь системы следует относиться с большой осторожностью. Следует избегать, насколько это возможно, помещать внутрь установки детали, покрашенные краской или лаком, или ржавое железо. Также всячески следует предотвращать попадание в вакуумную систему воды. Будучи несжимаемой, вода может испортить насос предварительного разрежения: кроме того, упругость пара воды при комнатной температуре составляет 18 мм Hg. Начальное испарение воды в вакууме снижает температуру остающейся воды вплоть до ее замерзания, и дальнейшее испарение заметно замедляется. В результате этого требуется значительное время для удаления воды даже при наличии охлаждаемых ловушек. Во избежание лишней потери времени из-за попадания паров воды в вакуумную систему следует применять сушилки и вымораживающие смеси. Эффективность различных осушителей и вымораживающих смесей указана в приложении VI Б. Все осушители, будучи тщательно обезвожены перед употреблением, имеют упругость пара меньшую, чем 10'⁴.и.и Hg.

• Ложные течи. Пары конденсируются на охлаждаемых ловушках лишь в том случае, если их парциальное давление выше упругости пара данного вещества при температуре ловушки. Если это условие не соблюдается, пар не улавливается ловушкой и дает эффект наличия течи (это называется «ложной» течью). Не понимая механизма этого явления, можно много времени напрасно затратить на отыскание течи. Принимая во внимание, что наиболее распространенными парами, встречающимися в вакуумной практике, являются водяные пары, рассмотрим работу ловушки, наполненной смесью сухого льда с ацетоном. При температуре смеси (—78°С) давление паров воды равно 10^-3 мм Hg. Если система откачана до давления ниже этого, пары воды испаряются с поверхности ловушки и дают эффет ложной течи. Ясно, что для получения упругости пара воды меньшей, чем 10“³ мм Hg, следует применять охлаждающее вещество с более низкой тепературой, чем температура смеси сухого льда с апетоном. Для этой цели обычно используют ловушки с жидким воздухом, расположенные между вакуумной камерой и пароструйным насосом. Однако и в этом случае может наблюдаться эффект ложной течи в связи с тем, что в ловушке уровень жидкого воздуха постепенно понижается и температура льда, образовавшегося выше этого уровня, повышается. Чтобы избежать этого, надо сначала наполнить жидким воздухом лишь часть ловушки, а затем, когда установится рабочее давление, заполнить уже всю ловушку целиком. Если припять меры, обеспечивающие постоянное наполнение ловушки жидким воздухом, то трудности, связанные с появлением ложных течей, могут быть сведены до минимума.

Даже при соблюдении всех предосторожностей, обеспечивающих постоянный уровень жидкого воздуха в ловушке, появляются некоторые признаки ложной течи, особенно в больших вакуумных системах. Происходит это потому, что лед является плохим проводником тепла, а поэтому по мере нарастания слоя льда в ловушке поверхность, обращенная к стороне высокого вакуума, может иметь более высокую температуру, чем остальная часть ловушки. Преодолеть эту трудность можно, периодически снимая и очищая ловушку. Частота очистки определяется характером рабочего процесса.

Теория течеискания. В предыдущих пунктах этой главы рассматривались общие вопросы, относящиеся к различного рода приборам для отыскания течей. При конструировании заводов с большими вакуумными системами, приобретающими в настоящее время существенное значение в промышленности, очень важной является разработка эффективных методов течеискания. Правильное планирование течеискания значительно облегчает монтаж и эк-сплоатапию заводов. В этом пункте приводятся основные теоретические соотношения, которые могут быть использованы при разработке высокоэффективных методов течеискания. Рассматриваются два случая использования течеискателя. Эта же методика может быть использована и в других встречающихся на практике случаях.