Разработка и исследование малогабаритного магниторазрядного течеискателя тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.02, кандидат наук Виноградов, Максим Львович

• Виноградов, Максим Львович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Виноградов, Максим Львович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение

Актуальность темы исследования

Степень разработанности тематики

Методы исследования

Научная новизна

Практическая значимость

Результаты внедрения

Апробация работы

Достоверность полученных результатов

Публикации

Структура и объем диссертации

Основное содержание работы

1 Достижения в области течеискания и задачи исследования

1.1 Области применения малогабаритного магниторазрядного течеискателя

1.2 Обзор достижений в области разработки магниторазрядных течеискателей

1.3 Устройство и принцип работы магниторазрядного течеискателя

1.4 Требования, предъявляемые к современным течеискателям

1.5 Цели и задачи диссертационной работы

Выводы по главе 1

2 Исследование процессов в малогабаритном магниторазрядном течеискателе

2.1 Уравнение баланса потоков гелия в системе «сенсор-детектор»

2.2 Статическая модель диффузии гелия в системе «сенсор-детектор»

2.3 Исследование диапазона параметров течеискателя с помощью математической модели

2.4 Расчет установившихся процессов в гелиевом течеискателе

2.5 Исследование динамического процесса регистрации потока гелия из течи, приложенной на ограниченное время

2.6 Создание программной модели динамических процессов регистрации гелия

Выводы по главе 2

3 Разработка селективного сенсора для гелия

3.1 Принцип действия сенсора

3.2 Экспериментальное оборудование

3.3 Методика экспериментов

3.4 Исследование материалов для изготовления сенсора

3.4 Исследование сенсора на основе кварцевого стекла

3.5 Исследование устойчивости к перепаду давлений и особенностей нагрева сенсора

3.6 Экспериментальные исследования газопроницаемости сенсора

3.7 Оценка потока газов через сенсор на основе кварцевого стекла и фторопласта при хранении

Выводы по главе 3

4 Исследование характеристик высоковакуумного детектора потока гелия

4.1 Магниторазрядный насос как детектор гелиевого течеискателя

4.2 Исследование зависимости флуктуаций тока высоковакуумного детектора гелия от давления

4.3 Моделирование характеристик высоковакуумного детектора гелия

4.4 Апробация расчетной модели

4.5 Исследование возможности применения датчика Пеннинга в качестве высоковакуумного детектора гелия

Выводы по главе 4

5 Исследование путей улучшения характеристик малогабаритного гелиевого магниторазрядного течеискателя

5.1 Критерии оптимизации модели малогабаритного магниторазрядного течеискателя

5.2 Исследование путей улучшения чувствительности магниторазрядного течеискателя

5.3 Исследование путей улучшения времени отклика течеискателя

5.4 Исследование процессов восстановления после измерения и хранения

5.5 Рекомендации по разработке алгоритма обработки сигнала

5.6 Разработка конструкции перспективного малогабаритного магниторазрядного течеискателя

5.7 Внедрение результатов диссертационный работы

Выводы по главе 5

Заключение

Основные результаты работы

Рекомендации по дальнейшей разработке темы и применению полученных результатов

Выводы по главе 2

3 Разработка селективного сенсора для гелия

3.1 Принцип действия сенсора

3.2 Экспериментальное оборудование

3.3 Методика экспериментов

3.4 Исследование материалов для изготовления сенсора

3.4 Исследование сенсора на основе кварцевого стекла

3.5 Исследование устойчивости к перепаду давлений и особенностей нагрева сенсора

3.6 Экспериментальные исследования газопроницаемости сенсора

3.7 Оценка потока газов через сенсор на основе кварцевого стекла и фторопласта при хранении

Выводы по главе 3

4 Исследование характеристик высоковакуумного детектора потока гелия

4.1 Магниторазрядный насос как детектор гелиевого течеискателя

4.2 Исследование зависимости флуктуации тока высоковакуумного детектора гелия от давления

4.3 Моделирование характеристик высоковакуумного детектора гелия

4.4 Апробация расчетной модели

4.5 Исследование возможности применения датчика Пеннинга в качестве высоковакуумного детектора гелия

Выводы по главе 4

5 Исследование путей улучшения характеристик малогабаритного гелиевого магниторазрядного течеискателя

5.1 Критерии оптимизации модели малогабаритного магниторазрядного течеискателя

5.2 Исследование путей улучшения чувствительности магниторазрядного течеискателя

5.3 Исследование путей улучшения времени отклика течеискателя

5.4 Исследование процессов восстановления после измерения и хранения

5.5 Рекомендации по разработке алгоритма обработки сигнала

5.6 Разработка конструкции перспективного малогабаритного магниторазрядного течеискателя

5.7 Внедрение результатов диссертационный работы

Выводы по главе 5

Заключение

Основные результаты работы

Рекомендации по дальнейшей разработке темы и применению полученных результатов

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка и исследование малогабаритного магниторазрядного течеискателя»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

Активное развитие аэрокосмической техники, энергетики, эксперименты и опыты в области атомной физики повлекли к появлению жестких требований к вакуумному оборудованию и вакуумным системам. Важными для промышленности стали задачи контроля герметичности крупных и сложных вакуумных систем.

С появлением больших ускорителей частиц потребовалось создавать и поддерживать сверхвысокий вакуум в системах внушительных объемов. Течи неизбежно возникали в различных местах систем: по резьбовым соединениям, фланцам, вентилям и натекателям, по сварным соединениям и так далее. Без специального оборудования для поиска течей создание больших герметичных вакуумных систем стало практически невыполнимой задачей.

Гелиевый масс-спектрометрический течеискатель является наиболее чувствительным прибором для этих целей. Использование гелия в качестве пробного газа обусловлено его высокой способностью проникать через места нарушения герметичности, химической инертностью и малым содержанием в атмосфере.

Для локализации течей в крупных технических объектах, таких как корпуса космических станций или контейнеры для ядерных отходов, используют способ щупа. Однако применяемая для этих целей аппаратура является громоздкой и дорогостоящей. Масса гелиевого масс-спектрометрического течеискателя составляет 20-100 кг. Для исследования крупного объекта оператор вынужден применять щупы длиной более 10 м, что существенно ухудшает время отклика и, зачастую, качество испытаний. Применение масс-спектрометрических течеискателей в полевых условиях, при отсутствии электропитания не является возможным.

Крупные отечественные предприятия и научные учреждения предъявляют спрос на появление нового прибора - портативного гелиевого течеискателя. В свою очередь, отечественные производители заинтересованы в разработке научной базы для создания малогабаритных течеискателей. Эти факторы определяют актуальность научных исследований в данной области.

Степень разработанности тематики

Впервые конструкция гелиевого течеискателя, построенного на базе магниторазрядного насоса, предложена немецким ученым Йоханом Спайсом в 1966 г. Вопросом разработки малогабаритных гелиевых течеискателей в Советском Союзе занимались В.В. Голоскоков, В.Е. Кузьмина, JI.E. Левина, В.В. Панюшкин, В.В. Пименов. Публикации этой группы ученых содержат информацию о магниторазрядном индикаторе гелия Ингем.

Современные исследования характеристик магниторазрядного течеискателя опубликованы группой ученых СПбГПУ: К.Н. Борнгарт, Д.С. Глухих, JI.H. Розанов, C.JI. Розанов, E.H. Свиридович, В.Л. Суханов, Л.Д. Тхинь, В. В. Филимонов.

Вклад в науку, внесенный перечисленными учеными, позволяет доказать, что переносной гелиевый течеискатель с высокой чувствительностью может быть создан на базе магниторазрядного насоса и сенсора из кварцевого стекла. Однако в данный момент не существует отечественного серийно выпускаемого прибора такого типа, а зарубежные аналоги значительно уступают по характеристикам масс-спектрометрическим течеискателям. Недостаточно данных о характере и динамике физических процессов, происходящих в основных узлах устройства, данных о физике разрядов, имеющих место в приборе данного типа.

Объектом исследования является вакуумное устройство, предназначенное для поиска течей, — малогабаритный гелиевый течеискатель.

Предметом исследования являются основные узлы малогабаритных магниторазрядных гелиевых течеискателей, обладающих повышенной чувствительностью и улучшенными динамическими характеристиками.

Целью работы является исследование процессов в узлах, ответственных за основные характеристики малогабаритного гелиевого магниторазрядного течеискателя, и разработка прибора с повышенной чувствительностью и улучшенными динамическими характеристиками.

Достижение поставленной в настоящей работе цели, потребовало:

1) проведения теоретических исследований динамики процесса регистрации гелия в процессе эксплуатации магниторазрядного течеискателя;

2) исследования пропускной способности и избирательности пропускания материалов фильтров гелия и их конструкций, адаптированных к работе в составе малогабаритного течеискателя;

3) исследования характеристик высоковакуумного детектора потока гелия, проведения моделирования и разработки методики расчета его рабочих характеристик на заданные параметры;

4) проведения поиска путей улучшения характеристик гелиевых магниторазрядных течеискателей за счет совершенствования конструкции его основных узлов;

5) разработки конструкции течеискателя, в наибольшей степени удовлетворяющей поставленным требованиям и проведения сравнительного анализа экспериментально полученных характеристик с данными расчетов.

Методы исследования

При выполнении работы использовались методы общей механики, гидродинамики, механики газов и вычислительной математики. Для расчётов, анализа и моделирования физических процессов применялся метод компьютерного моделирования процессов с использованием программных пакетов, предназначенных для решения инженерных задач.

Результаты экспериментальных исследований получены в процессе испытания работы макета малогабаритного течеискателя и отдельных его компонентов на экспериментальном стенде, созданном на базе современного

вакуумного оборудования специально для выполнения задач данного исследования.

Научная новизна

Новая научная информация, представленная в работе, получена при использовании методов математического моделирования на базе как аналитических, так и численных моделей, и в ходе проведения физических экспериментов, выполненных с применением современного измерительного оборудования.

Новизна научных результатов состоит в следующем:

1. на базе аналитических моделей выполнены исследования и анализ динамических процессов регистрации газа в течеискателе для оценки влияния параметров основных узлов прибора на характеристики течеискателя. Справедливость модели подтверждена верификацией результатов моделирования на экспериментальном макете течеискателя;

2. теоретически и экспериментально исследована пропускная способность и избирательность пропускания материалов фильтров гелия с точки зрения использования их для изготовления сенсоров малогабаритных течеискателей. Впервые изучено влияние избирательности пропускания сенсора на работу магниторазрядного течеискателя. На примере фторопласта показано, что использование полимерных материалов при изготовлении сенсоров, за счет недостаточной селективности пропускания и относительно высокой пропускной способности в холодном режиме, ведет к быстрому ухудшению вакуума при хранении течеискателя и последующему выходу его из строя после длительного хранения. Установлена и подтверждена на экспериментальном макете пригодность использования кварцевого стекла для изготовления сенсоров магниторазрядных течеискателей;

3. теоретически и экспериментально исследованы характеристики магниторазрядного насоса, используемого в качестве высоковакуумного детектора

гелия. Теоретические исследования проводились с помощью разработанной методики расчета характеристик высоковакуумного детектора гелия в приближении магнитной гидродинамики в рамках теории «спокойного» разряда. Исследованы характеристики экспериментальной модели магниторазрядного насоса, адаптированного для измерения давления гелия;

4. исследованы пути улучшения характеристик гелиевых магниторазрядных течеискателей за счет совершенствования конструкции его основных узлов. Показана возможность увеличения чувствительности течеискателя за счет повышения давления гелия, вызываемого работой мембранного насоса в качестве компрессора, при периодическом перекрытии выхода газа из корпуса сенсора. Показана возможность уменьшения времени отклика течеискателя путем сокращения длины канала транспортировки газа от места истечения к детектору течеискателя за счет пространственного совмещения заборного отверстия, щупа, сенсора гелия и детектора. Предложена конструкция щупа течеискателя, позволяющая улучшить эксплуатационные характеристики течеискателя в условиях работы на атомных станциях и подобных объектах повышенной опасности, путем исключения попадания опасных, токсичных и радиоактивных веществ в корпус течеискателя за счет придания щупу свойств фильтрации газов.

Практическая значимость

Практическая ценность результатов диссертационной работы заключается в том, что в работе сформулированы рекомендации по конструированию как вакуумного прибора в целом, так и отдельных узлов малогабаритного гелиевого течеискателя, таких как фильтр для выделения гелия из смеси газов, высоковакуумный детектор потока гелия и других.

Значимость новых технических результатов, представленных в работе, подтверждена положительным решением экспертной комиссии ФГБУ «Федеральный институт промышленной собственности» о выдаче патента с наименованием «малогабаритный гелиевый течеискатель» (1Ш №2013137627, решение о выдаче патента от 11.11.2013).

Полученные в результате проведенных исследований рекомендации предназначены для использования в качестве методической основы при разработке малогабаритных гелиевых течеискателей и позволяют проектировать приборы с улучшенными характеристиками, такими как чувствительность, массогабаритные параметры, время отклика, время автономной работы. Рекомендации по конструированию щупа для течеискателей позволяют существенно улучшить эксплуатационные параметры прибора при работе в условиях наличия в окружающей среде опасных, токсичных и радиоактивных веществ.

Результаты внедрения

Значимость работы подтверждается тем, что ее результаты заинтересовали организацию ОАО «Завод «Измеритель»». Результаты диссертационной работы внедрены в производство и использованы при разработке нового малогабаритного гелиевого течеискателя.

Полученные результаты были использованы инженерами ОАО «Завод «Измеритель» для достижения минимального достоверно регистрируемого малогабаритным течеискателем потока гелия порядка 5*10"7 Па-м3/с, снижения времени реакции прибора на поток гелия до трех секунд и уменьшения массо-габаритных характеристик течеискателя.

Получен акт внедрения результатов диссертационной работы в производство на ОАО «Завод «Измеритель» и акты, подтверждающие поставку малогабаритных течеискателей на предприятия ОАО «Газпром Трансгаз», ТОО «КазАтомПром», Белоярская АЭС и другие.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Замена сенсора гелия из фторопласта на кварцевый увеличивает диапазон рабочих температур со 150 °С до 500 °С, снижает удельную проводимость для газов через оболочку сенсора в нерабочем (холодном) состоянии в 106 раз и повышает проводимость сенсора по гелию при переходе в рабочее состояние на три порядка.

2. Минимальная толщина стенок селектирующей мембраны, выполненной в форме цилиндрического капилляра, при наличии перепада полного давления, пропорциональна его радиусу, поэтому удельная проводимость не зависит от радиуса и для капилляра из кварцевого стекла при 500 °С равняется 3 -10"9 м3/(с см), следовательно повышение проводимости сенсора по гелию возможно только за счет увеличения длины капилляра.

3. Пороговая чувствительность гелиевого течеискателя, определяемая флуктуациями фонового тока, не зависит от его среднего значения, пропорционального давлению внутри магниторазрядного насоса, поэтому давление в магниторазрядном насосе не ограничивает пороговую чувствительность течеискателя.

4. Пространственное совмещение щупа, заборного отверстия, сенсора и датчика сокращает время запаздывания информационного сигнала о наличии течи в тестируемом объекте с 3-5 с до 0,4-0,6 с.

Апробация работы

Результаты диссертационной работы докладывались на международных и отечественных конференциях: международная научная конференция «Плазменные технологии исследования, модификации и получения материалов различной физической природы» (Казань, 2012 г.); 11-я международная конференция «Пленки и покрытия - 2013» (Санкт-Петербург, 2013 г.); 65-я, 66-я, 67-я научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ (Санкт-Петербург, 2011-2013 гг.); 66-я, 67-я, 68-я научно-техническая конференция СПб НТО РЭС, посвященная Дню радио (Санкт-Петербург, 2011-2013); научно-техническая конференция молодых специалистов ОАО «ЦНИИ «Электрон» (Санкт-Петербург, 2013 г.); всероссийская научно-техническая конференция «Вакуумная техника и технология» (Санкт-Петербург, 2012 г.); 3-й международный форум поставщиков атомной отрасли 6-8 декабря (Москва 2011 г.); 3-й региональный форум поставщиков атомной отрасли «АТОМЕКС Северо-

Запад» (Санкт-Петербург, 2012 г.); 13-я и 15-я научная молодежная школа «Физика и технология микро- и наносистем» (Санкт-Петербург, 2010-2012 г.).

Исследования по тематике диссертации были высоко оценены, а автор был признан лауреатом конкурсов: «Участник молодежного научно-инновационного конкурса «УМНИК» (2012 г.), «Научные достижения студентов и аспирантов СПбГЭТУ» (2013 г.), «Образовательные, научно-исследовательские и инновационные проекты аспирантов и молодых научно-педагогических работников СПбГЭТУ» (2013 г.).

Достоверность полученных результатов

Достоверность полученных теоретических результатов обеспечивается использованием в основе расчета общепринятых формул вакуумной техники, алгоритмов и методик, подлинность которых была многократно подтверждена ранее. Достоверность вычислительного эксперимента подтверждается тестовыми расчетами и верификацией результатов на экспериментальном макете.

Экспериментальные исследования выполнялись на современном высокочувствительном оборудовании. В распоряжении автора работы были гелиевые масс-спектрометрические течеискатели ТИ1-50, ТИ1-30, ТИ1-22, высоковакуумные откачные посты ПВС 150/63, магниторазрядные насосы НОРД, широкодиапазонные вакуумметры отечественных и зарубежных производителей. Для изучения характеристик отдельных узлов, а также прибора в целом, создан экспериментальный стенд, моделирующий работу портативного гелиевого течеискателя.

Публикации

Основное содержание работы изложено в 17 печатных работах, включая 2 статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК, 6 публикаций в других журналах, 9 работ в материалах научно-технических конференций.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы из 69 наименований. Общий объем работы составляет 107 страниц машинописного текста, диссертация содержит 46 рисунков и 5 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены цель и задачи исследований, сформулированы научная новизна и практическая значимость работы. Приведена общая характеристика работы.

Первая глава исследования посвящена изучению достижений в области течеискания. Проведен анализ литературных источников, включая патентные исследования по теме работы, исследована история развития малогабаритных гелиевых течеискателей от этапа появления первых публикаций до создания и ввода в эксплуатацию приборов. Сформулированы требования к современным течеискателям.

Вторая глава посвящена математическому моделированию работы течеискателя в статическом и динамическом режимах.

Динамическая модель работы течеискателя позволила изучить переходные процессы, возникающие в ходе эксплуатации течеискателя. Особенности данных процессов должны учитываться при разработке портативного гелиевого течеискателя, в том числе при разработке алгоритмов распознавания сигнала течи.

Третья глава посвящена исследованию пропускной способности и избирательности пропускания материалов фильтров гелия и конструкций фильтров, адаптированных к работе в составе малогабаритного течеискателя.

Проведен расчет минимальной толщины стенки капилляра, выдерживающей перепад давления газов между наружной и внутренней стенками в магниторазрядном течеискателе.

В четвертой главе представлены результаты исследований характеристик высоковакуумного детектора гелия. После рассмотрения различных видов высоковакуумных датчиков, для выполнения функции детектора гелия в течеискателе выбран магниторазрядный насос, благодаря наличию у него линейной зависимости разрядного тока от концентрации газа в области низких давлений и способности откачивать гелий.

В пятой главе приведены результаты поиска путей улучшения характеристик гелиевых магниторазрядных течеискателей за счет совершенствования конструкции основных узлов прибора. Разработан прототип малогабаритного гелиевого магниторазрядного течеискателя. Экспериментальное и теоретическое исследование его характеристик показало, что прибор соответствует лучшим мировым аналогам.

В заключении изложены основные результаты работы.

1 ДОСТИЖЕНИЯ В ОБЛАСТИ ТЕЧЕИСКАНИЯ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

Идея создания портативного гелиевого течеискателя продиктована заявками потребителей, которым требуется осуществлять контроль герметичности, качества и безопасности систем, работающих под давлением или разряжением: теплообменных установок, трубопроводов и магистралей, емкостей, клапанов и вентилей. Такой контроль требуется проводить без демонтажа, а часто даже без остановки систем.

Многим потребителям нужен легкий течеискатель, который можно повесить на ремне и обследовать предполагаемое место течи. Требуется удобство эксплуатации, возможность работы от аккумулятора и способность производить контроль герметичности даже в труднодоступных местах [5].

Чувствительность и селективность на уровне масс-спектрометрического гелиевого течеискателя при работе со щупом при выигрыше в таких показателях, как надежность, простота и удобство, вес и габариты, а также в цене - это преимущества переносного гелиевого течеискателя.

В этой главе рассматриваются вопросы, связанные с целями и научными задачами, решение которых позволяет разработать переносной гелиевый течеискатель, удовлетворяющий требованиям потребителя.

1.1 Области применения малогабаритного магниторазрядного

течеискателя

В настоящее время в промышленности появился спрос на малогабаритные приборы контроля герметичности, которые могут работать от встроенного аккумулятора. В связи с этим, в данной работе изучается научная база для разработки течеискателя такого класса.

Высокочувствительные течеискатели применяются [6, 24, 28, 42, 46, 48], главным образом, в:

• вакуумной технике (все вакуумные системы);

• холодильной промышленности (проверка на утечку хладагентов);

• космической и аэрокосмической технике (проверка корпусов, баков);

• криогенной технике (проверка баков);

• проверке герметичности упаковки и контейнеров (для пищевых и химических продуктов);

• металлургии (литье, порошковая металлургия, проверка вакуумных камер);

• атомной промышленности.

Современный течеискатель должен обладать не только высокой чувствительностью - потребителю требуется портативность прибора для контроля герметичности, поскольку широко используемые масс-спектрометрические течеискатели на данном этапе развития технологии имеют большую массу и габариты [38].

После анализа зарубежного и отечественного рынка течеискателей [1, 10] можно сделать вывод о том, что ниша производства портативных гелиевых течеискателей практически не освоена даже в мировом масштабе.

Отечественного, выпускаемого серийно, портативного гелиевого магниторазрядного течеискателя с параметрами на уровне лучших мировых образцов не существует. Поэтому разработка малогабаритного гелиевого течеискателя представляется целесообразной.

1.2 Обзор достижений в области разработки магниторазрядных течеискателей

Основные научные и технические достижения в области разработки портативных гелиевых течеискателей на базе магниторазрядного насоса и кварцевого сенсора представлены в таблице 1.1.

Таблица 1.1

Основные достижения в области разработки портативных гелиевых течеискателей с кварцевым сенсором

Год и страна разработки Описание

1966, Германия Йоханом Спайсом предложен течеискатель нового типа на основе мембраны с избирательной проводимостью газов и ионного насоса. Показана возможность разработки прибора с чувствительностью близкой к масс-спектрометрическим течеискателям [69].

1973, СССР Вопросом разработки малогабаритных гелиевых течеискателей в Советском союзе занимались В.В. Голоскоков, В.Е. Кузьмина, Л.Е. Левина, В.В. Панюшкин, В.В. Пименов. Публикации этой группы ученых содержат информацию о магниторазрядном индикаторе гелия Ингем. Описаны научные основы разработки прибора Ингем, состоящего из датчика (миниатюрный магниторазрядный насос с кварцевым окном малой площади) и блока регистрации сигнала. Мембрана установлена с помощью соединения со стеклом, что позволяет прибору анализировать содержание гелия в воде. Мембрана не нагревается.

1975, СССР В работе В.В. Пименова «Рабочий ресурс магниторазрядного индикатора гелия ИНГЕМ-1» по методу ускоренных испытаний установлено, что рабочий ресурс магниторазрядного течеискателя составляет около 40 лет, чувствительность прибора не ухудшается при проведении большого количества последовательных испытаний.

1975, СССР Гелиевый индикатор магниторазрядный ИНГЕМ-1 выпущен в НИИВТ. С помощью прибора проведено большое число информативных гелиевых съемок в областях выхода больших концентраций гелия приуроченных, как правило, к разломам и другим геологическим структурам и получены результаты о свойствах и строении толщи осадков. Но для обычных областей его чувствительности оказалось недостаточно. История ИНГЕМ 1-2 показала, что прибор такого типа, специально разработанный для геофизических исследований гелия в воде, обладающий существенно более высокими техническими параметрами будет крайне востребован геологами, гидрологами океанологами и другими специалистами.

Продолжение таблицы 1.1

Год и страна опубликования Описание

2003, Россия Современные исследования характеристик магниторазрядного течеискателя опубликованы группой ученых СПбГПУ: К.Н. Борнгарт, Д.С. Глухих, Л.Н. Розанов, С.Л. Розанов, E.H. Свиридович, B.JI. Суханов, Л.Д. Тхинь, В. В. Филимонов [18]. Построена модель диффузии гелия в течеискателе, описан экспериментальный стенд, моделирующий работу прибора. Разработан и изготовлен откачной пост безмасляной откачки на сорбционных насосах, предназначенный для предварительной откачки и тренировки модели.

2006, Россия На ОАО «Завод «Измеритель» выпущена партия портативных течеискателей с фторопластовым сенсором для сепарации гелия. Помимо гелия сенсор пропускал к детектору и другие атмосферные газы. Течеискатели выходили из строя в течение месяца [3].

2006, Италия Специалисты компании Varían S.P.A. с помощью методов травления в плавиковой кислоте и осаждения из газовой фазы изготовили мембрану с окнами из оксида кремния и нагревателем.

2007, Германия Предложена конструкция на основе магниторазрядного насоса с ячейкой Пеннинга и кварцевой мембраной с селективными свойствами для использования в качестве компактного детектора [63].

2011, Германия Разработана мембрана новой конструкции газового сенсора с кварцевыми окнами большей площади с платиновым нагревателем, расположенным по краям. Мембрана имеет около 4800 окон. Проницаемость по гелию 1.10"7 ПамЗ/с.

2005, Италия Новый портативный гелиевый течеискатель Varían, Inc. Portable Helium Leak Detector PHD-4. Разработан прибор на базе кварцевого капилляра с нагревателем. Пороговая чувствительность - 5'10"7 Па-мЗ/с. Время отклика - не более 2 с. Масса - 2,6 кг.

2008, Германия Портативный гелиевый течеискатель Inficon Protec P3000(XL). Чувствительность прибора на порядок выше, чем у течеискателя PHD- 4. Однако масса 27 кг, сравнимая с масс-спектрометрическими аналогами, не позволяет конкурировать прибору в сегменте портативных устройств.

Течеискатель Varían PHD-4 - переносной прибор с питанием от аккумуляторных батарей. Малая масса и достаточная для решения большинства задач течеискания чувствительность обуславливает высокий спрос на данный течеискатель. Стоимость прибора в России является высокой, сравнимой с масс-спектрометрическими течеискателями.

Течеискатель Гпйсоп РпЛес РЗООО(ХЬ) содержит в своей конструкции сенсор, изготовленный в форме мембраны. Мембрана имеет толщину слоя оксида кварца 7 мкм в большом количестве окон. На мембрану нанесен платиновый меандр, который позволяет нагревать покрытие из оксида кварца до температуры в несколько сотен градусов. При прохождении гелия сквозь кварцевую мембрану возрастает ионный ток в ячейке Пеннинга течеискателя и регистрируется течь.

Прибор 1пйсоп РпЛес Р3000(ХЬ) обладает высокой чувствительностью и малым временем реакции, однако его масса сравнима с масс-спектрометрическими течеискателями. Его трудно использовать в качестве портативного прибора в местах, где нет сетевого электропитания. Основные характеристики портативных гелиевых магниторазрядных течеискателей, выпускаемых серийно, представлены в таблице 1.2.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Виноградов, Максим Львович, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Барченко, В.Т. Гелиевый течеискатель на базе магниторазрядного насоса. Изучение пропускной способности кварцевого сенсора / В.Т. Барченко, А.И. Бухштаб, М.Л. Виноградов // Вакуумная техника и технология: материалы конф., г. С.-Петерб., 13-15 июня 2012 г. - С. 29

2. Барченко, В.Т. Исследование и моделирование сенсора гелия для портативного гелиевого течеискателя / В.Т. Барченко, М.Л. Виноградов // Вестник Полоцкого государственного университета. Физика, сер. С. - 2013. - Т.1. - С. 50-59.

3. Барченко, В.Т. Разработка сенсора гелия для малогабаритного течеискателя / В.Т. Барченко, М.Л. Виноградов // Сб. докл. науч.-техн. конф. профессорско-преподавательского состава СПбГЭТУ, г. С.-Петерб., 1 - 8 фев. 2013 г. — СП.: Изд-во СПбГЭТУ, 2013. - С. 47-51

4. Бурмистров, A.B. Уравнения для расчета проводимости различных видов щелевых каналов в молекулярном режиме течения / A.B. Бурмистров, Д.Г. Караблинов, М.Д. Бронштейн // Вакуумная техника и технология.- 2004. -Т. 14. — № 1. — С.19-25.

5. Бухштаб, А.И. Проблемы контроля герметичности в аэрокосмической промышленности / А.И. Бухштаб, Г.В. Шульженко, М.Л. Виноградов // Аэрокосмический курьер. - 2012. - № 3 (81). — С. 55.

6. Вакуумметрический метод определения герметичности модулей космических аппаратов в условиях орбитального полета / В.А. Гапонов и др. // Вакуумная техника и технология. - 2011. - Т.21. - № 4. - С.225-230.

7. Вакуумная техника: Справочник / Е.С. Фролов и др. — М.: Машиностроение, 1992.-471 с.

8. Васильев, Г.А. Магниторазрядные насосы / Г.А. Васильев. - М.: Энергия, 1970. - 112 е., ил.

9. Виноградов, М.Л. Выделение гелия из газовой смеси в малогабаритном магниторазрядном гелиевом течеискателе / М.Л. Виноградов, В.Т. Барченко //

Материалы 66-й науч.-техн. конф. СПбНТОРЭС, посвященной Дню радио, г. С.-Петерб., - СПб.: Изд-во СПбГЭТУ, 2011. - С. 326-327.

10. Виноградов, М.Л. Высоковакуумный детектор потока гелия для течеискателя / М.Л. Виноградов // Технологии техносферной безопасности: электронный журнал. - 2013. - Вып. 5 (51). - 9 с. - http://ipb.mos.ru/ttb/2013-5.

11. Виноградов, М.Л. Математическое моделирование процессов газопереноса гелия в малогабаритном течеискателе / М.Л. Виноградов, В.Т. Барченко // сб. материалов конф. плазменные технологии исследования, модификации и получения материалов различной физической природы, 16-18 октяб. 2012 г.Казань, 2012.-С. 113-115

12. Виноградов, М.Л. Моделирование канала подачи пробы к сенсору в течеискателе «Гелин» / М.Л. Виноградов // Сб. докл. 65-й науч.-техн. конф. профессорско-преподавательского состава СПБГЭТУ «ЛЭТИ», г.С.Петерб., 24 янв.-4 фев. 2012 г.- СПб.: Изд-во СПбГЭТУ, 2012. - С. 59-61

13. Виноградов, М.Л. Переносной течеискатель для контроля дефектов покрытий/ М.Л. Виноградов, В.Т. Барченко // Быстрозакаленные материалы и покрытия : труды 11-й Всерос. с междунар. участием науч.-технич. конф., г.Москва, 2—22 нояб. 2012 г.-М.-С. 147-151.

14. Виноградов, М.Л. Разработка портативного прибора контроля герметичности вакуумных систем / М.Л. Виноградов // Технологии техносферной безопасности: электронный журнал. - 2013. - Вып. 3 (49). - 6 с. - http://ipb.mos.ru/ttb/2013-3.

15. Виноградов, М.Л. Сенсоры для гелиевых течеискателей / М.Л. Виноградов // Сб. докл. 64-й науч.-техн. конф. профессорско-преподавательского состава СПБГЭТУ «ЛЭТИ», г.С.Петерб., 25 янв. - 5 фев. 2011 г.- СПб.: Изд-во СПбГЭТУ, 2011.-С. 74-77

16. Виноградов, М.Л. Сепарация гелия из смеси газов в портативном магниторазрядном течеискателе / М.Л. Виноградов, В.Т. Барченко // 'Пленки и покрытия - 2013: труды 11-й междунар. конф., г.С.-Петерб., 6-8 мая 2013 г. - СПб., 2013. - С. 220-222.

17. Востров, Г.А. Вакуумметры / Г.А. Востров, JI.H. Розанов. — JL: Машиностроение, 1967. - 236 с.

18. Глухих, Д.С. Разработка модели магниторазрядного течеискателя / Д. С. Глухих, Л. Н. Розанов // Вакуумная техника и технология. 8-10 апр. 2003 г., -Казань.: Изд-во КГТУ, 2003.- С.50-51

19. Грошковский, Я. Техника высокого вакуума / Я. Грошковский. - М.: Мир, 1975. - 622 с.

20. Дубинин Б.А., Магнитный вакуумметр для течеискателей / Б.А. Дубинин // Вакуумная техника и технология. - 2010. - Т. 20. — №3. - С. 191-196.

21. Дэшман, С. Научные основы вакуумной техники / С. Дэшман. -М.: Мир, 1964. -715 с.

22. Ермолов, И. Н. Методы и средства неразрушающего контроля качества / И.Н. Ермолов, Ю.А. Останин. - М.: Высшая школа, 1988. - 368 с.

23. Злобина, А. Ф. Вакуумная и плазменная электроника / А.Ф. Злобина: Учеб. пособие. - Томск: Изд-во Томского межвуз. центра дистанц. образования, 2003. -106 с.

24. Калинин, Ю.Ж. Устранение негерметичности вакуумной системы линейного ускорителя ИЯИ РАН / Ю.Ж. Калинин, О.Д. Пронин, A.A. Степанов // Вакуумная техника и технология. - 2010. - Т.20. - № 4. - С.245-247.

25. Кей, Дж. Таблицы физических и химических постоянных / Дж. Кей, Т. Лэбк. -М.: Изд-во физ.-мат. лит-ры, 1962. -247 с.

26. Кеменов, В.Н. Вакуумная техника и технология / В.Н. Кеменов, С.Б. Нестеров. -М.: Изд-во МЭИ, 2002. - 84 стр.

27. Колкунов, Н.В. Основы расчета упругих оболочек / Н.В. Колкунов. — М.: Высшая школа, 1963. - 296 с.

28. Кривопустова, Е.В. Определение параметров малых течей в крупных вакуумных объектах / Е.В. Кривопустова и др. // Вакуумная наука и техника: Материалы 17-ой науч.-техн. конф. — М.: Изд-во МИЭМ, 2010. — С.132-133.

29. Кузнецов, В.И. Эксплуатация вакуумного оборудования / В.И. Кузнецов, Н.Ф. Немилов, В.Е. Шемякин. - М.: Энергия, 1978. - 208 с.

30. Кузьмин, В.В. Вакуумметрическая аппаратура техники высокого вакуума и течеискания / В.В. Кузьмин, JI.E. Левина, И.В. Творогов. - М.: Энергоатомиздат,

1984.-240с.

31. Кузьмин, В.В. Вакуумные измерения / В.В. Кузьмин. - М.: Изд-во стандартов, 1992. -227 с.

32. Кузьмин, В.В. Градуировка и поверка вакуумметров / В.В. Кузьмин. - М., Изд-во стандартов, 1987. - 134 с.

33. Кузьмин, В.В. Техника измерения вакуума / В.В. Кузьмин, В.А. Аляев. — Казань: Изд-во КГТУ, 2009. - 299 с.

34. Кузьмин, В.В. Усовершенствование калибровки вакуумных мер газового потока контрольных течей / В.В. Кузьмин // Измерительная техника. - 2004. — № 6. -С.28.

35. Ланис, В.А. Техника вакуумных испытаний / В.А.Ланис, Л.Е. Левина. - М-Л.: Госэнергоиздат, 1963. - 263 с.

36. Левина, Л.Е. Методы и аппаратура контроля герметичности вакуумного оборудования и изделий приборостроения / Л.Е. Левина. -М.: Машиностроение,

1985. - 72 с.

37. Лекк, Д. Измерение давления в вакуумных системах / Д.Лекк. - М.: Мир, 1966. - 208 с.

38. Локтев, И.И. Руководство по выбору способов масс-спектрометрического контроля герметичности промышленных изделий и установок (вторая редакция стандарта РВО-2.3-02/2005) / И.И. Локтев // Вакуумная техника и технология. -2005. - Т. 15. - № 4. - С.343-351.

39. Локтев, И.И. Аномальное поведение мелких течей при перепаде давления на стенке оболочки / И.И. Локтев // Вакуумная техника и технология. - 2010. - Т.20. -№3.-С. 167-174.

40. Локтев, И.И. Руководство по выбору способов масс-спектрометрического контроля герметичности промышленных изделий и установок / И.И. Локтев // Вакуумная техника и технология. - 2011.-Т.21. — № 2.-С.99-106.

41. Манометрический преобразователь для измерения вакуума в широком диапазоне / JI.H. Розанов // Электронная техника, 1972. - Вып. 8. - С.68-75.

42. Методы и средства определения утечки воздуха из модулей космической станции/ Н.Д. Семкин и др. // Прикладная физика. - 2006. - №2. - С. 108-121.

43. Нестеров, С.Б. Расчет сложных вакуумных систем / С.Б. Нестеров, Ю.К. Васильев, A.B. Андросов. -М.: Изд-воМЭИ, 2001. - 180 с.

44. Николаев, H.H. Диффузия в мембранах / Н.И. Николаев. - М.: Химия, 1980. -232 с.

45. Основы вакуумной техники: Учеб. для техникумов / А.И. Пипко и др.- М.: Энергоиздат, 1981. - 432 с.

46. Перспективы применения вакуумной техники и технологии в космической отрасли / В.А. Романько и др. // Вакуумная техника и технология. - 2011. — Т. 21. — № 1. - С.49-55.

47. Пипко, А.И. Конструирование и расчёт вакуумных систем / А.И. Пипко, В.Я. Плисковский, Е.А. Пенчко-М.: Энергия, 1979. - 504 с.

48. Пронин, О.Д. Применение анаэробных герметиков для герметизации неразъемных соединений вакуумных узлов и камер электрофизических установок / О.Д. Пронин, A.A. Степанов // Вакуумная техника и технология. - 2000. - Т. 10. -№ 3. - С. 97-99.

49. Рабинович, Б.А. Контроль герметичности космических аппаратов и обнаружение мест утечки на основе измерения параметров собственной атмосферы / Б.А. Рабинович, В.В. Сергеев // Научно-технические ведомости СПбГТУ. - 2000. - №4. - С.78-86

50. Розанов, JI. Н. Вакуумная техника: Учеб. для вузов по спец. «Вакуумная техника» / JI.H. Розанов. — М.: Высш. шк., 1990. — 320 с.

51. Розанов, JI.H. Течение газа через круглый трубопровод при больших перепадах давления / JI.H. Розанов, А.Ю. Скребнев // Вакуумная техника и технология. — 2010. -Т. 20. - Jtel.-C.3-8.

52. Саксаганский, Г.Л. Молекулярные потоки в сложных вакуумных структурах / Г.Л. Саксаганский. - М.: Атомиздат, 1980. - 216 с.

53. Семкин, И.Д. Системы определения утечки воздуха из модуля космической станции / И.Д. Семкин, Ю.А. Горелов // Вестник СГАУ. Сер. Актуальные проблемы радиоэлектроники, 1999. - Вып.1. - С.28-30.

54. Скрябнев, А.Ю. Расчет распределения концентрации газа в собственной атмосфере космического аппарата при возникновении малой течи в корпусе с ЭВТИ /А.Ю. Скрябнев, JI.H. Розанов // XXXIX Неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно-практической конференции. 4.IV. 2-7 дек. 2013 г.- СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2010. - С.54.

55. Тренделенбург, Э. Сверхвысокий вакуум / Э. Тренделенбург. -М.: Мир, 1966. -287 с.

56. Тымчак, В. М. Расчет нагревательных и термических печей: Справ, изд. / В.М. Тымчак. - М.: Металлургия, 1983. - 480с.

57. Уэстон, Дж. Техника сверхвысокого вакуума / Дж. Уэстон. - М.: Мир, 1988. -366с.

58. Шешин, Е.П. Вакуумные технологии : учеб. пособие / Е. П. Шешин. -Долгопрудный : Интеллект, 2009. - 501 с.

59. Эшбах, Г.Л. Практические сведения по вакуумной технике / Г.Л. Эшбах. — М.-Л.: Энергия, 1966. - 296 с.

60. Яккель, Р. Получение и измерение вакуума / Р. Яккель. - М.: Изд-во иностранной литературы, 1952. — 343 с.

61. Chambers, A. Basic Vacuum Technology / A. Cyambers, R.K. Fitch, B.S.Halliday. -Bristol:Adam Hilger, 1991. - 166 p.

62. Clausing, P. On the linger time of molecules in the flow of highly rarefied gases / P. Clausing. - Amsterdam, 1928.-p. 124.

63. Fabrication of quartz diaphragms for helium leak detection, VACUUM / M. Cocuzza et al. - 2006, V.80, №5. - P. 432-437.

64. Hablanian, M.H. High-vacuum Technology/ M.H. Hablanian / - NY and Basel Marcel Dekker, 1990. - 410 p.

65. Knudsen, M. Die Gesetze der Molecular Strommung uad der innerer Reibungst-parrallel plates / M. Knudsen // The Physics of Fluids. - 1873. - V. 16. - №5. - p. 594599.

66. Loktev, I. About a threshold through defect in zirconium cladding of the nuclear fuel elements /1. Loktev // Proceedings of Top Fuel, 2009. - Paris, 2009. - P. 936-941.

67. Rozanov, L.N. Vacuum Technique / L.N. Rozanov. - London and New York, 2002. - 351p.

68. Schuurman, W. Investigation of a low pressure penning discharge / W. Schuurman // Physica- 1967. - V.36, № l.-P. 136-160

69. Spies, J., Ein neuartiges Helium-Lecksuchgerut hoher Empfinlichkeit / J. Spies // Vakuum Technik. - 1966. -V. 15, № 8. -P.l85-191.