Масс-спектрометрический течеискатель на гелий

Масс-спектрометрический течеискатель на гелий (МСТ): Эталон точности для вакуумных систем

В задачах, где герметичность критична (атомная промышленность, космические аппараты, высоковакуумное оборудование), масс-спектрометрический течеискатель (МСТ) на гелий остается безальтернативным инструментом. Его способность обнаруживать утечки до 10⁻¹² мбар·л/с (1 молекула гелия в секунду!) и абсолютная селективность делают МСТ «золотым стандартом» для ответственных производств. Принцип работы основан на масс-спектрометрии: гелий используется как газ-индикатор благодаря инертности, летучести и уникальной массе.

Принцип Работы МСТ: Масса, Заряд, Детектирование

Ключевые этапы обнаружения утечки:

Вакуумирование тестируемого объекта:

Объект откачивается до высокого вакуума (10⁻⁴–10⁻⁶ мбар).

Нанесение гелия-трассера:

Гелий распыляется на внешние швы, соединения, уплотнения с помощью щупа.

Забор пробы в анализатор:

При наличии утечки гелий проникает в объект → попадает в вакуумную систему МСТ.

Ионизация и сепарация:

Молекулы гелия ионизируются электронной пушкой (энергия ~70 эВ).
Ионы ускоряются электрическим полем → попадают в масс-анализатор (магнитный/квадрупольный).

Фильтрация по массе:

Анализатор выделяет ионы с m/z = 4 (гелий-4⁺), отсеивая прочие газы (N₂⁺, O₂⁺, H₂O⁺).

Детектирование:

Ионы гелия регистрируются вторично-электронным умножителем (ВЭУ).
Сила тока пропорциональна концентрации гелия → преобразуется в значение течи (мбар·л/с).

Физическая основа:

Гелий (He) имеет атомную массу 4 а.е.м. – нет других газов с такой массой в воздухе.
Чувствительность: 10⁻⁹...10⁻¹² мбар·л/с (для сравнения: ИК-детекторы – до 10⁻⁶ мбар·л/с)
.

Ключевые преимущества МСТ на Гелии

Преимущество	Техническое обоснование
Сверхвысокая чувствительность	Обнаружение утечек < 10⁻¹¹ мбар·л/с (1 см³ воздуха за 30 000 лет!).
Абсолютная селективность	Реакция только на гелий (m/z=4), отсутствие ложных срабатываний.
Количественный анализ	Прямое измерение скорости течи (мбар·л/с) с точностью ±10%.
Неразрушающий контроль	Гелий инертен, не вредит оборудованию.
Дистанционное тестирование	Возможность проверки труднодоступных узлов (реакторы, трубопроводы под изоляцией).

Ограничения технологии

Требует вакуумных условий:

Объект должен быть вакуумируем (или иметь вакуумную полость). Не подходит для атмосферных систем.

Высокая стоимость:

Цена МСТ: от 50 000 € (без учета вакуумных насосов и инфраструктуры).

Сложность эксплуатации:

Требует квалифицированного персонала (знание вакуумной техники, масс-спектрометрии).

Ложные сигналы от фона:

Фоновый гелий в воздухе (5 ppm) может маскировать малые течи → нужна калибровка «нуля».

Сравнение МСТ с другими методами

Метод	Чувствительность (мбар·л/с)	Селективность	Стоимость	Применение
МСТ на гелий	10⁻¹²	Только He	Очень высокая	Космос, АЭС, вакуумные системы
ИК-течеискатель	10⁻⁶	Газы с ИК-спектром	Средняя	Холодильники, кондиционеры
Галогенный течеискатель	10⁻⁵	Галогены (F, Cl)	Низкая	Пром. холодильные установки
Ультразвуковой метод	10⁻³	Любые утечки под давлением	Низкая	Трубопроводы, АЗС

Вывод: МСТ незаменим там, где допустимая утечка близка к технологическому нулю (например, космические аппараты).

Критерии выбора МСТ

Чувствительность:

Минимальная детектируемая течь (мбар·л/с). Стандарт: ≤1×10⁻¹⁰ мбар·л/с.

Скорость отклика (Response Time):

Время от подачи гелия до сигнала (<3 сек – критично для конвейерных проверок).

Тип масс-анализатора:

Магнитный секторный: Выше точность, но громоздкий.
Квадрупольный: Компактный, быстрый, устойчивый к вибрациям.

Диапазон измерения:

Широта охвата (например, 10⁻⁴ до 10⁻¹² мбар·л/с).

Интеграция с вакуумной системой:

Совместимость с турбомолекулярными/форвакуумными насосами.

Автоматизация:

Программное управление, протоколирование, удаленный мониторинг.

Сферы применения МСТ на Гелии

Аэрокосмическая отрасль:

Тестирование топливных баков ракет, гермокабин космических кораблей (ГОСТ Р 58202-2018).

Атомная энергетика:

Контроль герметичности тепловыделяющих сборок (ТВС), контуров охлаждения реакторов.

Вакуумное оборудование:

Проверка ускорителей частиц, электронных микроскопов, CVD-установок.

Медицина:

Тестирование МРТ-криостатов (жидкий гелий при 4K), кислородных систем.

Электроника:

Контроль гермопакетов микросхем, датчиков (MIL-STD-883).

Пример: Обнаружение течи 5×10⁻¹¹ мбар·л/с в сварном шве топливного бака спутника предотвратило потерю миссии стоимостью $200 млн

МСТ на гелий – инструмент для задач, где цена ошибки исчисляется миллиардами или человеческими жизнями. Его сверхчувствительность и селективность не имеют аналогов. Несмотря на высокую стоимость и сложность эксплуатации, для критичных объектов (АЭС, космические аппараты) это единственный способ гарантировать абсолютную герметичность.

Наши контакты

‭+7 (812) 982-0188
info@foursp.ru
г. Санкт-Петербург, вн. Тер. г. Муниципальный округ Народный, ул. Новоселов, д.8, лит. А, оф. 691/1