ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЙ СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ МИКРОТЕЧЕЙ ПАРОВ ВОДЫ

Изобретение относится к области испытания устройств на герметичность и позволяет оперативно обнаруживать микротечи в вакуумных камерах электрофизических устройств, использующих в качестве теплоносителя или охладителя воду.

Микротечи вплоть до микронных размеров в стенке вакуумных или герметичных камер обычно могут быть, в принципе, обнаружены известными методами [1]. Однако эти методы не позволяют оперативно обнаруживать микротечи, особенно если камеры имеют большой объем и входят в состав сложных технических устройств. Как правило, микротечи практически не влияют на работоспособность таких устройств, поскольку натекание газа через них обычно находится на уровне потока адсорбированных молекул со стенок камеры, а сами потенциальные течи в спокойных условиях могут не проявляться. Тем не менее, задача обнаружения малых течей вполне актуальна для таких устройств, как токамаки, ТВЭЛы ядерных реакторов, плазмохимические реакторы, космические аппараты и т.п. При эксплуатации подобных устройств стенки камер испытывают огромные нагрузки, в результате имеющиеся микротечи могут расширяться и образовываться новые, создавая реальную угрозу развития аварийной ситуации. В частности проблема оперативного обнаружения микротечей в плазменно-вакуумной камере была отмечена в заключительном отчете по техническому проекту ИТЭР [2], как одна из существенных задач, не получивших пока своего решения. В [2] имеются в виду микротечи в системе охлаждения, через которые может происходить натекание паров воды.

Хорошо известен электроразрядный способ нахождения течей с помощью искрового течеискателя - Трансформатора Тесла. Трансформатор Тесла - резонансный трансформатор, производящий высокое напряжение высокой частоты. (Прибор был защищен патентом США №568176 от 22 сентября 1896 года, как «Аппарат для производства электрических токов высокой частоты и потенциала»). В настоящее время он широко используется в качестве электроразрядного течеискателя, которым обнаруживают течи в стеклянных оболочках по искре, возникающей при прикосновении высоковольтного электрода, выполненного в виде иглы с изолирующим держателем, к дефектному месту. Высоковольтный электрод инициирует электрический разряд в зоне микротечи и, таким образом, делает ее видимой. Наименьшее натекание для указанного способа обнаружения составляет ~10^-4 Па·м³·с^-1) [3]. Однако его применение для обнаружения микротечи в плазменно-вакуумных камерах электрофизических устройств, использующих в качестве теплоносителя или охладителя воду, практически невозможно, поскольку для его применимости оболочка исследуемого устройства должна быть изготовлена из диэлектрического материала. Как правило, оболочка вакуумных камер электрофизических устройств выполнена из металла. Второй серьезный недостаток электроразрядного течеискателя, созданного на основе трансформатора Тесла, состоит в том, что этот метод - контактный. Необходимо располагать иглу течеискателя в непосредственной близости от дефектного места.

Задача, решаемая изобретением - создание чувствительного бесконтактного электроразрядного способа оперативного обнаружение микротечей в вакуумных камерах электрофизических устройств, использующих в качестве теплоносителя или охладителя воду.

Способ обнаружения течи паров воды основан на том, что при воздействии на стенку камеры плазмы или потока электронов происходит разложение вытекающих паров воды и возбуждение свечения той компоненты (Н²O, H, O, OH, маркер), характерный участок спектра которой Δλ можно дистанционно наблюдать и измерять при минимальном уровне помех. Если параметры плазмы достаточны для эффективного возбуждения, то над течью образуется "шапка", излучающая в области Δλ. В этом случае решение поставленной задачи сводится к выбору наблюдаемой компоненты и оптимизации условий возбуждения и наблюдения ее спектра. Это возможно осуществить как в процессе обработки внутренней поверхности камеры вспомогательным разрядом, так и непосредственно в штатном режиме работы установки. Для диагностических целей мы предлагаем использовать образующиеся из молекул воды в газовом разряде электронно-возбужденные молекулы гидроксила OH(А²Σ) [4]. Спектр излучения гидроксила лежит в удобной для работы ближней ультрафиолетовой области [0-0 полоса A²Σ→X²П перехода занимает диапазон 306-310 нм], и может быть зарегистрирован простейшей спектральной аппаратурой.

Таким образом, предлагаемый способ обнаружения микротечей отличается от течеискателя Тесла:

1. По способу возбуждения диагностического излучения.

В течеискателе Тесла для возбуждения разряда необходимо расположить высоковольтный электрод непосредственно в зоне течи. В предлагаемом способе для визуализации дефекта используется воздействие на стенку камеры плазмы или потока электронов от разряда, существующего в установке.

2. По способу регистрации диагностического излучения.

В течеискателе Тесла излучение регистрируется глазом оператора. В предлагаемом способе над течью образуется "шапка", излучающая в узкой спектральной области 306-310 нм, которая регистрируется спектральным прибором. Интенсивность излучения пропорциональна скорости натекания, соответственно, по величине регистрируемого сигнала может быть измерена скорость натекания.

Таким образом, предлагаемый способ обладает следующими преимуществами. Прежде всего, метод - бесконтактный и может реализовываться в штатном режиме работы электрофизической установки. Второе обстоятельство состоит в том, что регистрация излучения осуществляется спектральным прибором, и интенсивность излучения может быть измерена, соответственно, при должной калибровке измерительной части установки скорость натекания может быть точно измерена.

Для оценки возможностей предлагаемого способа был изготовлен натекатель, состоящий из полой иглы и микронатекателя, при помощи которого вводили пары воды непосредственно в разряд (применялся разряд с полым катодом). Внутренний диаметр иглы 800 микрон. При помощи спектрометра AVASPEC с частотой 5 кадров в секунду (время экспозиции 100 мс) на ПЗС матрице записывался спектр свечения гидроксила. Типичный график зависимости интенсивности излучения полосы гидроксила 306-310 нм от времени при такой процедуре напуска показан на фиг.1. В левом верхнем и в правом нижнем углах рисунка показаны участки спектров в диапазоне 300-350 нм до и после напуска паров воды.

На рисунке видно, как меняется спектр свечения плазмы с появлением в ней воды. Начало напуска воды соответствует времени t=3c. Происходит скачок интенсивности сигнала в области 306-310 нм, это позволяет точно определить место и скорость натекания воды в вакуумную камеру.

Зарегистрированный порог обнаружения паров воды - 3·10^-5 Па·м³·с^-1. Этот результат позволяет с уверенностью использовать данный способ для диагностики образования микротрещин систем охлаждения плазменно-вакуумных камер сложных электрофизических установок (токамаки, ТВЭЛы ядерных реакторов, плазмохимические реакторы).

Отметим, что в экспериментах использовался стандартный оптоволоконный спектрометр AVASPEC с регистрацией спектра на ПЗС матрицу. Применение ФЭУ для регистрации полосы гидроксила в исследуемом участке спектра позволит при необходимости повысить чувствительность спектроскопического электроразрядного метода еще на 2-3 порядка величины.

Список литературы

1. Неразрушающий контроль. Справочник в 7 томах под ред. В.В.Клюева. Том 2. Контроль герметичности. М., «Машиностроение», 2003.

2. Технический проект ИТЭР. Заключительный отчет: ITER, Final Design Report, 2001, G 31 DDD 14 01-07-19 W 0.1, section 3.1,_,VACUUM PUMPING AND FUELLING SYSTEM

3. Ланис B.A., Левина Л.Е., Техника вакуумных испытаний, 2 изд., М.-Л., 1963.

4. Очкин В.Н., Савинов С.Ю., Соболев Н.Н. Механизмы формирования распределений электронно-возбужденных молекул по колебательно-вращательным уровням в газовом разряде. - В кн.: Электронно-возбужденные молекулы в неравновесной плазме (Труды ФИАН. М.: Наука, 1985, т.157, стр.6-85).

Ochkin V.N., Savinov S.Yu., Sobolev N.N. Distributions of Electron-Excited Molecules over Vibrational-Rotational Levels in Gas Discharge: Formation Mechanisms. The Book: Electron-Excited Molecules in Nonequilibrium Plasma. - Proceengs of the Lebedev Phys. Inst. Ac. of Sciences of the USSR. V.179, Suppl. V.2, pp.7-119. Nova Science Publishers, Inc., 1989. (283 Commack Road, Suite 300, Commack, N.Y. 11725.)