Наиболее чувствительным и универсальным течеискателем для сверхвысоковакуумных систем является устройство на основе масс-спектрометра, настроенного на одну массу, соответствующую пробному газу. Для этих целей может быть использован масс-спектрометр практически любого типа, однако большинство серийных масс-спектрометрических течеискателей построено на основе магнитно-секторного анализатора.

Для достижения максимальной чувствительности приходится до некоторой степени жертвовать разрешающей способностью. Поэтому в качестве пробного газа необходимо использовать такой газ, который:

а) характеризуется массовым числом, отличным от массовых чисел других газов; б) легко может быть идентифицирован; в) содержится в атмосферном воздухе в минимальном количестве. Гелий, массовое число которого равно 4, удовлетворяет всем этим требованиям и, с учетом его инертности, является идеальным пробным газом. Основанные на использовании гелия масс-спектрометрические течеискатели обычно называют гелиевыми течеискателями.

В большинстве этих приборов применены 90°- и 180°-ные магнитные анализаторы секторного типа с источниками ионов конструкции Нира и обычным коллектором ионов. Ширина щели выбирается таким образом, чтобы обеспечить оптимальные чувствительность и разрешающую способность прибора. Поскольку необходимая разрешающая способность не превышает 4 ед. массы, ширина щели и, следовательно, ионный ток и чувствительность течеискателя могут быть значительно выше, чем у масс-спектрометрического анализатора остаточного газа. Однако, хотя молекулярные массы таких остаточных газов, как N2, O2 и паров H2O, отличны от 4 а.е.м., они часто могут вызывать фоновый сигнал.

Образование фонового сигнала объясняется тем, что некоторые ионы этих газов при столкновении с элементами анализатора изменяют свою скорость' или ее направление и рассеиваются. Вследствие этого они могут пройти через выходную щель и попасть на коллектор. Относительное число ионов остаточного газа, попадающих на коллектор, очень мало, но ввиду то го, что общий ионный ток, вызываемый остаточным газом, велик по сравнению с током, создаваемым пробным газом (гелием), фоновый сигнал может приводить к ограничению чувствительности. Поэтому при разработке анализатора стремятся обеспечить минимальный уровень фонового тока.

Течеискатель, по существу, состоит из двух 60°-ных магнитных анализаторов, установленных последовательно, как показано на рис. 8.3.Вылетающие из первого анализатора ионы гелия и фоновые ионы проходят через выходную

Рис. 8.3. Масс-спектрометрический анализатор магнитного секторного типа: 1 — источник ионов; 2 — умножитель.

щель и попадают во второй анализатор, в котором происходит вторичная фокусировка, в результате чего фоновый ток значительно уменьшается. Первый течеискатель такого типа был сконструирован для лабораторных целей, но впоследствии стал выпускаться серийно. Вне зависимости от конструкции масс-спектрометрического анализатора важно отсутствие фонового сигнала, вызываемого загрязняющими примесями. Для достижения адекватного обезгаживания и полного устранения загрязнений анализатор должен быть прогреваемым. Поэтому в некоторых серийных течеискателях блок анализатора постоянно поддерживается в нагретом состоянии для предотвращения поглощения газов элементами его конструкции, тогда как в других предусмотрен нагрев одного ионного источника.

В отличие от остальных течеискателей масс-спектрометриче-ские течеискатели, выпускаемые серийно, снабжены собственной вакуумной системой, которая состоит из насосов предварительного и высокого вакуума, клапанов, вакуумметров и электронных блоков управления. Такой прибор показан на рис. В своем большинстве масс-спектрометрические течеискатели являются универсальными приборами; они используются как для оценки герметичности отдельных элементов вакуумных установок, так и для обнаружения течей в системах. В последнем случае течеискатель подсоединяется непосредственно к проверяемой системе. Поскольку течеискатель снабжен собственной системой откачки, перед началом испытаний его можно отградуировать и использовать для прямых измерений скорости натекания.

Меняя быстроту откачки системы, можно регулировать такие параметры прибора, как постоянная времени и величина фонового сигнала.Для обнаружения течей в сверхвысоковакуумной системе течеискатель обычно подсоединяется к линии предварительного разрежения при отключенном высоковакуумном насосе. Вначале система откачивается собственным форвакуумным насосом, а затем откачивающей системой течеискателя, которая, как правило, состоит из ротационного и диффузионного насосов.

Некоторые течеискатели снабжены дополнительным ротационным насосом для создания в системе предварительного разрежения. При достижении разрежения <10^-3 Па включают прогрев катода и заполняют ловушку жидким азотом. Большинство вакуумных течеискателей может работать в диапазоне давлений от 10^-2 до 10^-8 Па. Этот диапазон также соответствует динамическому диапазону скоростей натекания, измеряемых масс-спект-рометрически.

Для измерения давления в вакуумной системе течеискателя в зависимости от его величины обычно используются вакуумметр Пирани и ионизационный вакуумметр. Известен альтернативный метод обнаружения течей, в котором используется характерная для турбомолекулярных и диффузионных насосов зависимость степени сжатия откачиваемого газа от рода газа. Для этого проверяемая на течь вакуумная система подсоединяется к форвакуумной линии (к выхлопу турбомолекулярного насоса) откачной системы течеискателя, а масс-спектрометрический анализатор — к в ходу турбомолекулярного насоса (рис. 8.4). В процессе откачки производится дискриминация удаляемых газов, определяемая степенью сжатия легкого пробного газа (Не) и более тяжелых газов (H2O, N2, O2), которые присутствуют главным образом в системе с течью.

Рис.8.4. Масс-спектрометрический течеискатель: 1— масс-спектрометрический анализатор; 2—вакуумметры; 3— клапаны иапуска атмосферного воздуха; 4 — клапаны; 5 — диффузионный насос; 6 — ловушка; 7— форвакуум-иые ротационные масляные насосы; 8 — дроссель для регулирования быстроты откачки.

Следовательно, через насос (против течения) гелий будет диффундировать интенсивнее, чем остальные газы. Поэтому относительное содержание гелия на стороне высокого вакуума будет значительно превышать его содержание на выхлопе насоса; другими словами, турбомолекулярный насос можно рассматривать как фильтр легких газов.

Хотя эксплуатационные характеристики такого устройства могут быть и не лучше характеристик обычного масс-спектрометрического течеискателя, простота конструкции, отсутствие ловушек с жидким азотом, а также меньшая зависимость от скорости откачки явились причинами их серийного выпуска, например, фирмой Varian.

Следует отметить, что в высоковакуумных системах, вне зависимости от используемого метода обнаружения течей, присутствие масел даже в небольших количествах недопустимо. Поэтому оператор должен быть уверен в том, что масло из ротационного насоса вакуумной системы течеискателя не проникает в проверяемую систему. Если в течеискателе не предусмотрена охлаждаемая жидким азотом цеолитовая ловушка для форвакуумного насоса, то целесообразно поместить такую ловушку между течеискателем и системой.

Чувствительность масс-спектрометрических течеискателей до некоторой степени зависит от быстроты откачки, а также от конструкции анализатора и электронных схем измерения. В следующем разделе будут обсуждаться общепринятые методы определения характеристик масс-спектрометрических течеискателей с помощью образцовых течей. Фирмы, выпускающие вакуумное оборудование, обычно приводят рабочие характеристики течеискателей, измеренных этим методом.

Пороговая чувствительность определяется как поток натекающего газа, вызывающий отклонение стрелки регистрирующего прибора, соответствующее 2% наиболее чувствительного диапазона измерений. Приводимые значения пороговой чувствительности по воздуху для серийных приборов обычно составляют около 5*10^-12 Па*м³*с^-1 при быстроте откачки 10^-2 м³*с^-1. Уменьшая с помощью дросселя эффективную быстроту откачки, можно снизить пороговую чувствительность до 5•1O^-13 Па*м³*с^-1. На рис. 8.5 показан общий вид изготавливаемого серийно масс-спектрометрического течеискателя.

Рис.8.5. Течеискатель на основе масс-спектрометра и турбомолекулярного насоса: 1 — масс-спектрометрический анализатор; 2 — клапаны; 3— вакуумметр Пирани; 4 — форвакуумный ротационный масляный насос; 5 — турбомолекулярный насос; 6 — вход для подключения объекта, проверяемого на герметичность.

В случае крупных вакуумных систем методы обнаружения течей с помощью чехлов с гелием или путем обдува элементов системы тонкой струей гелия нерациональны. Предложен другой метод решения этой проблемы на основе масс-спектромет-рического измерения величины отношения N2/02. При наличии течи это отношение должно быть таким же, как и для окружающего систему воздуха, тогда как десорбированные газы должны давать существенно отличающееся значение этого отношения.

Поскольку крупные вакуумные системы содержат значительное число клапанов и насосов, в таком случае путем последовательного секционирования системы можно достаточно быстро определить участок с течью, точное нахождение которой можно затем установить методом обдува.