氙气泄漏检测设备的性能测试

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)兰州空间技术物理研究所 作者:丁栋

  新型空间电推进技术具有高比冲、小推力、长寿命等优点,将广泛应用于新一代卫星推进系统中。由于氙气具备较低的电离能和较高的原子能量,是电推进主要的推进剂。针对卫星电推进系统氙气供给子系统在加注氙气过程中可能造成的泄漏,研制了氙气泄漏检测设备。通过介绍设备结构、技术指标、检测方法等相关技术内容,给出了设备的性能测试结果。测试结果表明:研制的氙气泄漏检测设备完全能够满足电推进系统加注氙气时泄漏检测的技术要求。

引言

  离子电推进是利用电能加热、离解和加速工质形成高速射流而产生推力的技术。此技术具有高比冲、小推力、长寿命等特点。这些特点正适合于航天器对推进系统提出的高速飞行、长期可靠工作和克服较小阻力的要求。氙气具有较低电离能和较高原子质量,因此通常用氙气作为离子电推进的推进剂。电推进技术的核心部件离子推力器利用电子轰击氙原子产生氙离子,氙离子在电磁场的约束下,通过栅极加速,高速喷出而产生推力。

  氙气加注是由氙气供给子系统完成的。氙气贮存在贮箱中,经过压力控制系统将贮箱中氙气输送到多路流量控制系统中的每一路推力器中。真空技术网(http://www.chvacuum.com/)认为氙气的储量将直接影响电推进的使用寿命。氙气加注在发射场进行,加注管路的密封性能、氙气的纯度均由氙气供给子系统保证。为了确保加注过程可靠,卫星能够在轨长寿命运行,保证加注人员人身安全以及降低加注成本,需要对加注过程中氙气泄漏进行实时检测。

1、氙气泄漏检测方法与设备

  1.1、几种氙气泄漏检测方法的比较

  根据技术要求,氙气泄漏检测设备应该能够检测出泄漏在空气中的氙气浓度,泄漏量等内容。目前常用和成熟的有三种方法:

  (1)气相色谱-质谱联用分析法。该方法具有定量测量精度高、灵敏度高等特点,是一种常用的大型分析仪器。在医学研究中,利用该仪器测量血液中的氙浓度。其方法是利用He载气将样品引入毛细管进行色谱分析,质谱测量129 m/e和132 m/e峰,仪器的测量下限为2×10-6 Pa;

  (2)热导传感器法。利用不同气体热传导率不同,在不同浓度下改变电阻原理而制成的传感器,通过电信号测量检测该气体的浓度。类似这种测量仪器如:氢浓度测量仪、CO报警器等。AP-G-氙气-2是氙检测仪,用于医用麻醉的氙泄漏检测,仪器分辨为0.1%;

  (3)质谱检测法。利用不同气体具有不同质量的特点进行质谱分析。质谱计可测量氙气的同位素峰132 m/e峰的强度并利用氙气-氮气-氧气标准气体验证,可以测量空气中的氙气浓度,采用高性能四极质谱计可以测量空气中氙气的同位素峰。对上述氙气检测方法的比较,如表1所列。

表1 几种氙气检测方法比较

几种氙气检测方法比较

  通过表1的综合比较,拟采用四极质谱计法对氙气进行泄漏检测。四极质谱计法鉴别能力强,设备体积重量适中,非常适合用于发射场氙气加注现场泄漏检测。

  1.2、设备结构

  氙气泄漏检测设备结构框图如图1所示,包括四极质谱计、高真空抽气系统、进样系统、标准气体校准系统和计算机等5部分。

氙气泄漏检测设备结构图

图1 氙气泄漏检测设备结构图

1. 四极质谱计电源;2. 四极质谱计探头;3. PKR251 型真空规;4. 质谱室;5. 针阀;6. 标准气体;7. 取样管;8. 切换阀门;9. 机架;10. 取样泵;11. 前级泵;12. 涡轮分子泵;13. 真空计;14. 计算机

  1.3、设备技术指标

  设备的主要技术指标为:

  (1)质谱室的极限压力≤5×10-5 Pa,10 min内压力波动小于10%;

  (2)质谱室工作压力范围:1×10-3~5×10-3 Pa;

  (3)启动时间:质谱室保持真空条件下,高真空系统启动30 min后质谱室压力<1×10-4 Pa;

  (4)设备总漏率<5×10-9 Pa·m3/s

  (5)氙气最小可检浓度:体积浓度<1×10-5

2、氙气泄漏检测设备性能测试

  2.1、质谱室性能测试

  (1)质谱室极限压力测试。质谱室极限压力是对质谱室经过一系列烘烤除气手段和较长时间抽气之后,能达到的最低压力值。用真空计进行测试;

  (2)质谱室压力稳定度测试。压力稳定度是在设备工作条件下,质谱室工作压力的波动与工作压力之比。测试方法为:在质谱室压力小于1×10-5 Pa时,通过调节针阀5进样,使压力维持在工作压力范围内,记录压力和时间的变化曲线。在10 min时间段内,测量压力波动的偏差值与工作压力之比即为压力波动;

  (3)质谱室工作压力范围测试。质谱室工作压力是质谱室达到极限压力后,通过调节针阀进样,使质谱室压力在设计的工作压力范围(1×10-3~5×10-3 Pa)内变化,能维持质谱室的正常工作;

  (4)启动时间测试。设备启动时间是指在设备初始状态下,从开机到质谱室压力维持在工作压力范围内所需的时间。

  2.2、设备总漏率测试

  设备总漏率测试是指通过氦质谱检漏仪对质谱室总体进行检漏得到的漏率值。测试方法为:将设备与氦质谱检漏仪通过接口连接,标准漏孔安装在质谱室上,按照氦质谱真空检漏方法对质谱室进行总漏率测试。

  2.3、氙气泄漏检测设备最小可检浓度测试

  由于氙气是化学稳定的惰性气体,具有明显的特征峰,因此不会与空气起反应,空气中气体成分的质谱峰对氙气的质谱峰并不干扰。通过测量132 u的离子流变化和浓度的增值,判断氙气是否泄漏及泄漏量。设备最小可检浓度的具体操作方法及步骤如下:

  (1)设备加电,启动前级泵,待质谱室压力小于1.2×102 Pa,启动分子泵;

  (2)待质谱室内压力小于1×10-4 Pa,用网线连接计算机与质谱计;

  (3)启动计算机与质谱计,启动质谱计控制软件,确保计算机与质谱计正常通信;

  (4)启动取样泵,调节取样阀进样,将质谱室压力控制在1×10-3~5×10-3 Pa范围内;

  (5)在计算机软件中设置开启质谱计灯丝与倍增器,启动多离子扫描模式,设置扫描M=132 u峰;

  (6)观察波形变化和波峰显示情况,记录氙气本底噪声IN和本底峰强度的稳定值I′132;

  (7)配制不同浓度的氙气-空气混合气体(标准气体)C132;

  (8)当设备处于最佳工作参数时,将步骤(7)配制好的标准气体引入质谱室中,测量M=132 u峰的离子流强度I132。设备对氙的最小可检浓度λmin 计算为式(1):

氙气泄漏检测设备的性能测试

  式中:C132为混合气体中氙气的浓度,由下表2配制得出;

  (9)重复上述操作,即可得出氙气最小可检浓度。表2中1号氙气为已知浓度的氙气-氮气-氧气混合气体(标准气体),其余为配制的氙气-氮气-氧气混合气体(标准气体)。通过试验验证即可获得设备最小可检浓度。

  试验数据表明:氙气加注泄漏检测设备可以检测到的最小浓度为1.0×10-7。氙气泄漏检测设备实测技术指标如表3所列。

表2 氙气加注泄漏检测设备最小可检浓度

氙气加注泄漏检测设备最小可检浓度

表3 氙气泄漏检测设备技术指标测试结果

氙气泄漏检测设备技术指标测试结果

3、结论

  氙气泄漏检测设备经过性能测试,技术指标满足技术要求。其中最小可检浓度的测量下限达到1×10-7。设备的灵敏度范围在1×10-7~1×10-1之间,此灵敏度范围可以检测出小于1×10-6 Pa·m3/s的漏孔,满足氙气供给子系统漏率指标要求。然而,氙气泄漏检测设备检测数据的准确性还需要通过标准气体进行校准。因此样品的采集很重要,除了取样管的材质、尺寸、长度有严格要求之外,还需对配制标准气体的仪器气密性、稳定性严格把关,同时还需要具有精确测量压力的仪器。

  氙气泄漏检测设备为靶场氙气供给子系统加注氙气提供保障,可以避免因泄漏引起的各种不安全因素。目前,该设备已正式交用户方验收,很快将应用于发射场电推进氙气加注过程中的泄漏检测。

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