Для поддержания рабочего давления в анализаторе масс-спектрометрического течеискателя используют турбомолекулярный насос [6]. Если в вакуумную систему поступает поток анализируемой пробы, обеспечивающий допустимое давление в анализаторе, то измерения потока пробного газа осуществляются по схеме прямотока, в противном случае применяется схема противотока [3,6]. При локализации течи в автоматизированном режиме необходимо иметь оперативный метод определения быстроты действия форвакуумного насоса, а также прямой и обратной проводимости турбомолекулярного насоса.
Целью настоящей работы является исследование влияний основных параметров масс-спектрометрического способа контроля на характер переходного процесса, связанного с нарастанием в анализаторе парциального давления пробного газа с момента его подачи в вакуумную систему.
Для решения поставленной цели необходимо выбрать метод моделирования процесса массопереноса анализируемой пробы, поступающей в вакуумную систему течеискателя, и на его основе разработать математическую модель, описывающую изменение парциального давления пробного газа в анализаторе течеискателя.
Для получения модели процесса массопереноса анализируемой пробы авторы использовали классические методы, применяемые в расчетах вакуумных систем. В частности, откачное действие турбомолекулярного насоса определялось на основе разделения геометрической проводимости решетки ротора на обратную и прямую динамические проводимости [1, 2, 4]. Обоснование выбранных методов, позволяющих получать корректные решения практических задач в области масс-спектрометрического контроля герметичности, обуславливается широким использованием их в практике течеискания.
На рис. 1 показана схема установки, поясняющая структуру вакуумной системы масс-спектрометрического контроля герметичности и физические явления, протекающие в процессе регистрации пробного газа. В структуру установки входят: турбомолекулярный насос 1 (ВМН - 150М) с изменяющейся частотой вращения ротора в пределах от 100 до 500 об/с [3], формирующий при заданной частоте вращения ротора прямую U12 и обратную U21 проводимости, а также форвакуумный насос 4 с быстротой действия S. Высоковакуумный участок 3 и форвакуумный 2 имеют объемы V1,V2 с парциальным давлением пробного газа в них соответственно P1,P2, регистрируемым анализаторами 5 и 6. Анализатор 6 имеет собственную систему откачки и подключен к форвакуумному участку через дроссельный клапан 16. На установке можно воспроизводить схему прямотока, с этою целью через вентиль 10 в высоковакуумную магистраль 3 следует подать анализируемую пробу, а для реализации схемы противотока анализируемую пробу необходимо подать в форвакуумную магистраль 2 через вентиль 11.
Способ и устройство формирования ступенчатого импульса для снятия динамических характеристик измерительной системы течеискателя описаны в изобретении [5]. В установке способ реализуется системой коммутирующих клапанов 12, 13, 14, 15 и вакуумным насосом, а также равными по мощности источниками потока смеси воздуха и пробного газа (гелия) 7 и воздуха 8. В результате пробный газ поступает в вакуумную систему в потоке воздуха, не нарушая при этом режим течения.
Определение прямой и обратной проводимости турбомолекулярного насоса осуществлялось по методике, описанной в работе [4]. Полученные проводимости использовались для оценки соответствия экспериментальных и расчетных данных, расхождение которых не превысило ±27%, что является удовлетворительным результатом для описания процессов, протекающих в течеискательном оборудовании.
Рис. 1. Схема установки: 1 - турбомолекулярный насос;
2, 3 - форвакуумная и высоковакуумная магистрали; 4,9 - форвакуумные насосы;
5,6 - анализаторы; 7 - источники потока смеси воздуха и пробного газа;
8 - источник воздуха: 10,11, 12, 13, 14, 15 - клапаны; 16 - дроссельный клапан
Математическая модель представляет систему двух дифференциальных уравнений (1), описывающих изменение парциального давления пробного газа в вакуумной системе течеискателя. Она получена на основе материального баланса потоков пробного газа, поступающих в течеискатель и на выходе из форвакуумного насоса. Область ее использования ограничена следующими допущениями: вакуумную систему рассматриваем в виде совокупности сосредоточенных объемов; процесс изменения парциального давления пробного газа считается изотермическим; в межлопаточных каналах рабочих колес турбомолекулярного насоса имеет место молекулярный режим течения газов. Схема прямотока реализуется при условии 
, а для схемы противотока - 
.
(1)
Аналитические зависимости (2), (3), полученные из системы (1), описывают рост давления пробного газа в высоковакуумном коллекторе 3 при подаче в вакуумную систему постоянного потока пробного газа, имеющего ступенчатый характер. Зависимости не учитывают присутствие пробного газа в анализаторе в момент времени t=0, то есть 
. Зависимость (2) характеризует динамику измерительной системы для схемы прямотока, а зависимость (3) - для противотока.
,(2)
,(3)
где λ1, λ2 - корни характеристического уравнения.
.
На рис. 2, 3 показаны графики зависимостей, характеризующие изменение парциального давления пробного газа в анализаторе для разной частоты вращения ротора турбомолекулярного насоса ВМН - 150 М. На графиках изображены зависимости, полученные для схем прямотока и противотока.
В расчетах приняты следующие значения параметров вакуумной системы:
- быстрота действия форвакуумного насоса - 5∙10-3м3/с;
- объем высоковакуумной магистрали - 310-1м3, а форвакуумной - 210-1м3;
- поток пробного газа - 510-8м3Па/с;
- прямые и обратные проводимости удовлетворяют турбомолекулярному насосу ВМН - 150М при частоте вращения его ротора 100 (см. рис. 3) и 300об/с (см. рис. 2).
Рис. 2. Зависимости изменения парциального давления пробного газа в масс-спектрометрическом анализаторе для схем прямотока и противотока:
, 
, 
Характер зависимостей изменения парциального давления в анализаторе для схемы прямотока отличается от схемы противотока скоростью нарастания давления в начальный момент времени. Это явление присутствует при разных частотах вращения ротора и усиливается с увеличением частоты вращения ротора. Вызвано это тем, что с увеличением частоты вращения ротора происходит изменение динамической проводимости решетки. В результате, прямая проводимость растет, а обратная - уменьшается [4]. Следовательно, при большой разности прямой и обратной проводимости насоса входящий поток пробного газа в высоковакуумную систему (схема прямотока) с легкостью перетекает в форвакуумную часть, и на этом этапе устанавливается баланс потоков.
Рис. 3. Зависимости изменения парциального давления пробного газа в масс-спектрометрическом анализаторе для схем прямотока и противотока:
, ,
На следующем этапе процесс формирования давления пробного газа в регистраторе определяет низкая быстрота действия форвакуумного насоса, которая на один-два порядка меньше прямой проводимости. Поэтому на втором этапе динамику определяет эффективная быстрота откачки вакуумной системы форвакуумным насосом. Это подтверждается графиками, полученными при реализации двух схем (прямотока, противотока), и с частотой вращения ротора турбомолекулярного насоса 500 об/с, которые смещены относительно друг друга по оси давления, но практически идентичны по форме.
Используя метод наименьших квадратов, по экспериментально полученным значениям парциального давления пробного газа в масс-спектрометрическом анализаторе при противотоке и противотоке можно определить величины прямой и обратной проводимости, а также быстроту действия форвакуумного насоса.
Заключение
По результатам проведенного анализа выбран метод моделирования процесса массопереноса пробного газа в вакуумной системе масс-спектрометрического течеискателя, основанный на материальном балансе потоков пробного газа, поступающих в течеискатель и откачиваемых форвакуумным насосом. Получены аналитические зависимости, описывающие переходные процессы формирования парциального давления пробного газа в анализаторе течеискателя для схем прямотока и противотока и при разной частоте вращения ротора турбомолекулярного насоса. Установлена возможность определять в процессе контроля значения быстроты действия форвакуумного насоса, а также прямой и обратной проводимости решетки турбомолекулярного насоса.
Рецензенты:
- Добротин С.А., д.т.н., профессор, профессор кафедры «Математики и естественнонаучных дисциплин» Дзержинского филиала Российской академии народного хозяйства и государственной службы при Президенте Российской Федерации, г. Дзержинск.
- Луконин В.П., д.т.н., профессор, генеральный директор ФГУП «НИИ полимеров им. академика В.А. Каргина», г. Дзержинск.