Масс-спектрометрический метод течеискания.

Метод основан на создании повышенного парциального давления пробного вещества (газа) в смеси веществ с одной стороны поверхности объекта контроля и отбора проникающего через течи пробного вещества с другой стороны для масс-спектрометрического анализа на присутствие молекул пробного газа. Анализ осуществляется путем ионизации пробного вещества с последующим разделением ионов по отношению их массы к заряду под действием электрического и магнитного полей.

Благодаря серийному выпуску масс-спектрометрических течеискателей метод нашел широкое применение в практике промышленных испытаний. Метод позволяет помимо качественной оценки провести количественные измерения газового потока через течь с точностью до 10%. Вместе с тем этот метод технически сложен, требует вакуума и по возможности его заменяют более простыми методами.

В качестве пробного газа обычно используют гелий. Он обладает малой молекулярной массой и хорошо проникает через малые течи. Гелий химически инертен, дешев и безопасен в применении. В атмосферном воздухе он содержится в весьма малых количествах (10^-4 %), поэтому фоновые эффекты при работе с ним сказываются значительно меньше, чем при применении других веществ. Кроме того, по соотношению массы иона к его заряду (m/e) гелий очень сильно (на 25 %) отличается от ближайших ионов других газов, что облегчает его обнаружение и выполнение измерений. Поэтому масс-спектрометрические течеискатели часто называют гелиевыми.

Принципиальная схема масс-спектрометрической камеры течеискателя:

1 - нахальный катод;

2 - камера ионизатора;

3, 4 - выходные диафрагмы;

5 - входная диафрагма;

6 - коллектор ионов.

Газы, подлежащие анализу, из испытываемого объекта или от щупа поступают в камеру ионизатора. От накального катода в камеру, находящуюся относительно катода под положительным зарядом, направляется пучок отрицательно заряженных электронов, которые, сталкиваясь с молекулами газа, ионизируют их.

Фокусировка электронов при этом осуществляется магнитным полем напряженностью . Из образовавшихся в камере ионов с помощью диафрагмы формируется ионный пучок, который разгоняется благодаря разности потенциалов  между диафрагмами 3 и 4.

Диафрагма 4 при этом электрически соединена с катодом и заряжена отрицательно относительно диафрагмы 3. Ионы пучка разгоняются до одинаковой энергии , которая определяется по формуле:

, отсюда ,

где  - скорость ионов; е - заряд иона; m - масса иона.

Учитывая, что масса ионов различных компонентов анализируемого газа неодинакова, скорость ионов разных элементов также будет различаться. Далее ионы попадают в спектральную камеру, в которой действует магнитное поле напряженностью Н, направленное перпендикулярно движению ионов. Под действием силы Лоренца  направление которой определяется по правилу левой руки, ионы будут перемещаться по траекториям в виде окружности радиусом R, а сама F_л при этом будет уравновешиваться центробежной силой. Отсюда

.

Так как радиус траектории R зависит от отношения m/e, в спектральной камере ионный пучок разделяется на ряд пучков, соответствующих фиксированным значениям массовых чисел (). Выделив пучок ионов пробного газа (гелия) диафрагмой и расположив за ней коллектор ионов, производят измерения интенсивности этого пучка и, соответственно, интенсивность течи (Вт).

Проведение течеискания масс-спекрометрическим методом включает следующие этапы: определение порога чувствительности аппаратуры и течеискания; подача пробного газа на (в) контролируемый объект; определение степени негерметичности объекта и (или) места течи; обработка и оценка результатов течеискания. Порог чувствительности течеискания должен контролироваться по калиброванным течам перед началом испытаний и в процессе их проведения в соответствии с технической документацией, утвержденной в установленном порядке.