复合分子泵牵引级参数对氦质谱检漏仪性能的影响研究

2022-04-17 李博 东北大学机械工程与自动化学院

  复合分子泵作为氦质谱检漏仪的重要部件,其自身的几何参数在影响抽气性能的同时也影响检漏仪的检测性能。基于分子泵抽气基本理论,建立了复合分子泵牵引级的计算模型,通过改变螺旋升角、牵引槽深度和转子与定子的间隙,分别计算了复合分子泵牵引级对氦质谱检漏仪涉及到的2种气体——空气和氦气在不同工况下的抽气性能,研究了复合分子泵牵引级参数对氦质谱检漏仪检测性能的影响。结果表明,随着螺旋升角和牵引槽深度增大,氦质谱检漏仪的灵敏度均先提高后下降;增大转子与定子间隙,不利于氦质谱检漏仪灵敏度的提高;选取螺旋升角为22°、牵引槽深为 2.5 mm、转子与定子间隙为 0.3 mm时,氦质谱检漏仪具有较高的灵敏度,同时复合分子泵牵引级性能可靠且结构安全。

  氦质谱检漏仪以氦气作为示漏气体,性能稳定,灵敏度高,是专门用于真空检漏的质谱分析仪器,广泛应用在航天、电力、石油、环保等领域。复合分子泵作为真空获得设备,是氦质谱检漏仪的关键部件,其抽气性能直接影响检漏仪的检测性能。国内复合分子泵的研制起步较晚,与国外产品有一定差距,尚未研制出氦质谱检漏技术中使用的多口复合式分子泵。

  复合分子泵牵引级的参数直接影响着分子泵的抽气性能,进而影响着氦质谱检漏仪的检测性能。本文以氦质谱检漏仪用复合分子泵牵引级为研究对象,建立适用于检漏技术的牵引级计算模型,改变螺旋升角、牵引槽深度和转子与定子间隙等参数,分别计算牵引级的抽气性能,结合氦质谱检漏仪的实际使用情况对由牵引级参数变化引起的检漏性能的改变进行研究。通过对分子泵的抽气性能和氦质谱仪的检测灵敏度的优化,使复合分子泵能够更好地应用于检漏技术。

1、计算模型和方法

  首先建立氦质谱检漏仪用复合分子泵牵引级的计算模型、确定计算方法。

  1.1 分子泵涡轮级抽气性能计算模型

  牵引级的工作原理是分子牵引,即高速运动的刚体表面携带气体分子,并且使之按照一定的方向运动,如图1所示。

牵引分子泵工作原理图

图1 牵引分子泵工作原理图

结论

  应用逐段判别流态法计算了具有不同螺旋升角、牵引槽深、转子与定子间隙的复合分子泵牵引级对空气和氦气的抽气性能,研究了以上参数对抽气性能的影响,以及对氦质谱检漏仪灵敏度的影响,得出以下结论:

  (1)增大螺旋升角,压缩比降低;螺旋升角小于22°时,增大螺旋升角有利于氦质谱检漏仪检测灵敏度的提升;螺旋升角大于 22°时,增大螺旋升角将逐渐降低氦质谱检漏仪检测灵敏度。

  (2)随着牵引槽深度增加,牵引级的压缩比先增大后减小;牵引槽深小于 2.5 mm时,增大槽深有利于氦质谱检漏仪检测灵敏度的提升;牵引槽深大于2.5 mm,增大槽深将逐渐降低氦质谱检漏仪检测灵敏度。

  (3)转子与定子间隙增加的过程中,K1、K2、K1/K2整体处于下降趋势,K2的变化较 K1更为平稳;增大转子与定子间隙,不利于氦质谱检漏仪检测灵敏度的提升。

  (4)选取螺旋升角为 22°、牵引槽深为 2.5 mm、转子与定子间隙为0.3 mm时(使用CAD制图时需注意公差),分子泵牵引级性能较好、结构安全可靠,氦质谱检漏仪可以获得较高的检测灵敏度。