丁　棟，陳　聯(lián)，孫冬花

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點實驗室，蘭州　730000）

氙氣泄漏檢測設(shè)備的性能測試

丁棟，陳聯(lián)，孫冬花

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點實驗室，蘭州730000）

新型空間電推進技術(shù)具有高比沖、小推力、長壽命等優(yōu)點，將廣泛應(yīng)用于新一代衛(wèi)星推進系統(tǒng)中。由于氙氣具備較低的電離能和較高的原子能量，是電推進主要的推進劑。針對衛(wèi)星電推進系統(tǒng)氙氣供給子系統(tǒng)在加注氙氣過程中可能造成的泄漏，研制了氙氣泄漏檢測設(shè)備。通過介紹設(shè)備結(jié)構(gòu)、技術(shù)指標(biāo)、檢測方法等相關(guān)技術(shù)內(nèi)容，給出了設(shè)備的性能測試結(jié)果。測試結(jié)果表明：研制的氙氣泄漏檢測設(shè)備完全能夠滿足電推進系統(tǒng)加注氙氣時泄漏檢測的技術(shù)要求。

電推進；氙氣；泄漏檢測；測試

0　引言

離子電推進是利用電能加熱、離解和加速工質(zhì)形成高速射流而產(chǎn)生推力的技術(shù)［1］。此技術(shù)具有高比沖、小推力、長壽命等特點。這些特點正適合于航天器對推進系統(tǒng)提出的高速飛行、長期可靠工作和克服較小阻力的要求。氙氣具有較低電離能和較高原子質(zhì)量，因此通常用氙氣作為離子電推進的推進劑。電推進技術(shù)的核心部件離子推力器利用電子轟擊氙原子產(chǎn)生氙離子，氙離子在電磁場的約束下，通過柵極加速，高速噴出而產(chǎn)生推力。

氙氣加注是由氙氣供給子系統(tǒng)完成的。氙氣貯存在貯箱中，經(jīng)過壓力控制系統(tǒng)將貯箱中氙氣輸送到多路流量控制系統(tǒng)中的每一路推力器中［2］。氙氣的儲量將直接影響電推進的使用壽命。

氙氣加注在發(fā)射場進行，加注管路的密封性能、氙氣的純度均由氙氣供給子系統(tǒng)保證。為了確保加注過程可靠，衛(wèi)星能夠在軌長壽命運行，保證加注人員人身安全以及降低加注成本，需要對加注過程中氙氣泄漏進行實時檢測。

1　氙氣泄漏檢測方法與設(shè)備

1.1幾種氙氣泄漏檢測方法的比較

根據(jù)技術(shù)要求，氙氣泄漏檢測設(shè)備應(yīng)該能夠檢測出泄漏在空氣中的氙氣濃度，泄漏量等內(nèi)容。目前常用和成熟的有三種方法：

（1）氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用分析法。該方法具有定量測量精度高、靈敏度高等特點，是一種常用的大型分析儀器。在醫(yī)學(xué)研究中，利用該儀器測量血液中的氙濃度。其方法是利用He載氣將樣品引入毛細(xì)管進行色譜分析，質(zhì)譜測量129 m/e和132 m/e峰，儀器的測量下限為2×10-6Pa；

（2）熱導(dǎo)傳感器法。利用不同氣體熱傳導(dǎo)率不同，在不同濃度下改變電阻原理而制成的傳感器，通過電信號測量檢測該氣體的濃度。類似這種測量儀器如：氫濃度測量儀、CO報警器等。AP-G-氙氣-2是氙檢測儀，用于醫(yī)用麻醉的氙泄漏檢測，儀器分辨為0.1%；

（3）質(zhì)譜檢測法。利用不同氣體具有不同質(zhì)量的特點進行質(zhì)譜分析。質(zhì)譜計可測量氙氣的同位素峰132 m/e峰的強度并利用氙氣-氮氣-氧氣標(biāo)準(zhǔn)氣體驗證，可以測量空氣中的氙氣濃度，采用高性能四極質(zhì)譜計可以測量空氣中氙氣的同位素峰。

對上述氙氣檢測方法的比較，如表1所列。

表1　幾種氙氣檢測方法比較

通過表1的綜合比較，擬采用四極質(zhì)譜計法對氙氣進行泄漏檢測。四極質(zhì)譜計法鑒別能力強，設(shè)備體積重量適中，非常適合用于發(fā)射場氙氣加注現(xiàn)場泄漏檢測。

1.2設(shè)備結(jié)構(gòu)

氙氣泄漏檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，包括四極質(zhì)譜計、高真空抽氣系統(tǒng)、進樣系統(tǒng)、標(biāo)準(zhǔn)氣體校準(zhǔn)系統(tǒng)和計算機等5部分。

圖1　氙氣泄漏檢測設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

1.3設(shè)備技術(shù)指標(biāo)

設(shè)備的主要技術(shù)指標(biāo)為：

（1）質(zhì)譜室的極限壓力≤5×10-5Pa，10 min內(nèi)壓力波動小于10%；

（2）質(zhì)譜室工作壓力范圍：1×10-3～5×10-3Pa；

（3）啟動時間：質(zhì)譜室保持真空條件下，高真空系統(tǒng)啟動30 min后質(zhì)譜室壓力＜1×10-4Pa；

（4）設(shè)備總漏率＜5×10-9Pa·m3/s

（5）氙氣最小可檢濃度：體積濃度＜1×10-5。

2　氙氣泄漏檢測設(shè)備性能測試

2.1質(zhì)譜室性能測試［3］

（1）質(zhì)譜室極限壓力測試。質(zhì)譜室極限壓力是對質(zhì)譜室經(jīng)過一系列烘烤除氣手段和較長時間抽氣之后，能達(dá)到的最低壓力值。用真空計進行測試；

（2）質(zhì)譜室壓力穩(wěn)定度測試。壓力穩(wěn)定度是在設(shè)備工作條件下，質(zhì)譜室工作壓力的波動與工作壓力之比。測試方法為：在質(zhì)譜室壓力小于1×10-5Pa時，通過調(diào)節(jié)針閥5進樣，使壓力維持在工作壓力范圍內(nèi)，記錄壓力和時間的變化曲線。在10 min時間段內(nèi)，測量壓力波動的偏差值與工作壓力之比即為壓力波動；

（3）質(zhì)譜室工作壓力范圍測試。質(zhì)譜室工作壓力是質(zhì)譜室達(dá)到極限壓力后，通過調(diào)節(jié)針閥進樣，使質(zhì)譜室壓力在設(shè)計的工作壓力范圍（1×10-3～5× 10-3Pa）內(nèi)變化，能維持質(zhì)譜室的正常工作；

（4）啟動時間測試。設(shè)備啟動時間是指在設(shè)備初始狀態(tài)下，從開機到質(zhì)譜室壓力維持在工作壓力范圍內(nèi)所需的時間。

2.2設(shè)備總漏率測試

設(shè)備總漏率測試是指通過氦質(zhì)譜檢漏儀對質(zhì)譜室總體進行檢漏得到的漏率值。測試方法為：將設(shè)備與氦質(zhì)譜檢漏儀通過接口連接，標(biāo)準(zhǔn)漏孔安裝在質(zhì)譜室上，按照氦質(zhì)譜真空檢漏方法對質(zhì)譜室進行總漏率測試。

2.3氙氣泄漏檢測設(shè)備最小可檢濃度測試

由于氙氣是化學(xué)穩(wěn)定的惰性氣體，具有明顯的特征峰，因此不會與空氣起反應(yīng)，空氣中氣體成分的質(zhì)譜峰對氙氣的質(zhì)譜峰并不干擾。通過測量132 u的離子流變化和濃度的增值，判斷氙氣是否泄漏及泄漏量。設(shè)備最小可檢濃度的具體操作方法及步驟［4］如下：

（1）設(shè)備加電，啟動前級泵，待質(zhì)譜室壓力小于1.2×102Pa，啟動分子泵；

（2）待質(zhì)譜室內(nèi)壓力小于1×10-4Pa，用網(wǎng)線連接計算機與質(zhì)譜計；

（3）啟動計算機與質(zhì)譜計，啟動質(zhì)譜計控制軟件，確保計算機與質(zhì)譜計正常通信；

（4）啟動取樣泵，調(diào)節(jié)取樣閥進樣，將質(zhì)譜室壓力控制在1×10-3～5×10-3Pa范圍內(nèi)；

（5）在計算機軟件中設(shè)置開啟質(zhì)譜計燈絲與倍增器，啟動多離子掃描模式，設(shè)置掃描M=132 u峰；

（6）觀察波形變化和波峰顯示情況，記錄氙氣本底噪聲IN和本底峰強度的穩(wěn)定值I′132；

（7）配制不同濃度的氙氣-空氣混合氣體（標(biāo)準(zhǔn)氣體）C132；

（8）當(dāng)設(shè)備處于最佳工作參數(shù)時，將步驟（7）配制好的標(biāo)準(zhǔn)氣體引入質(zhì)譜室中，測量M=132 u峰的離子流強度I132。設(shè)備對氙的最小可檢濃度λmin計算為式（1）：

式中：C132為混合氣體中氙氣的濃度，由下表2配制得出；

（9）重復(fù)上述操作，即可得出氙氣最小可檢濃度。

表2中1號氙氣為已知濃度的氙氣-氮氣-氧氣混合氣體（標(biāo)準(zhǔn)氣體），其余為配制的氙氣-氮氣-氧氣混合氣體（標(biāo)準(zhǔn)氣體）。通過試驗驗證即可獲得設(shè)備最小可檢濃度。

表2　氙氣加注泄漏檢測設(shè)備最小可檢濃度

試驗數(shù)據(jù)表明：氙氣加注泄漏檢測設(shè)備可以檢測到的最小濃度為1.0×10-7。氙氣泄漏檢測設(shè)備實測技術(shù)指標(biāo)如表3所列。

3　結(jié)論

氙氣泄漏檢測設(shè)備經(jīng)過性能測試，技術(shù)指標(biāo)滿足技術(shù)要求。其中最小可檢濃度的測量下限達(dá)到1×10-7。設(shè)備的靈敏度范圍在1×10-7～1×10-1之間，此靈敏度范圍可以檢測出小于1×10-6Pa·m3/s的漏孔，滿足氙氣供給子系統(tǒng)漏率指標(biāo)要求。然而，氙氣泄漏檢測設(shè)備檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性還需要通過標(biāo)準(zhǔn)氣體進行校準(zhǔn)。因此樣品的采集很重要，除了取樣管的材質(zhì)、尺寸、長度有嚴(yán)格要求之外，還需對配制標(biāo)準(zhǔn)氣體的儀器氣密性、穩(wěn)定性嚴(yán)格把關(guān)，同時還需要具有精確測量壓力的儀器。

氙氣泄漏檢測設(shè)備為靶場氙氣供給子系統(tǒng)加注氙氣提供保障，可以避免因泄漏引起的各種不安全因素。目前，該設(shè)備已正式交用戶方驗收，很快將應(yīng)用于發(fā)射場電推進氙氣加注過程中的泄漏檢測。

［1］毛根旺，韓先偉，楊涓，等.電推進研究的技術(shù)狀態(tài)和發(fā)展前景［J］.推進技術(shù)，2000，21（5）：1-5.

［2］劉坤，鄒爽，王江永，等.基于LIPS-200電推進系統(tǒng)在GEO衛(wèi)星平臺上的布局研究［J］.真空與低溫，2014，20（1）:23-28.

［3］王榮宗，趙忠、孫天輝.便攜式推進劑泄漏檢測儀［J］.導(dǎo)彈與航天運載技術(shù)，1999（3）:55-61.

［4］陳聯(lián)，邱家穩(wěn)，王麗紅，等.載人航天器密封艙微量有害氣體質(zhì)譜檢測方法［J］.真空，2011，48（5）：4-7.

PERFORMANCE TEST OF XENON GAS LEAK DETECTION EQUIPMENT

DING Dong，CHEN Lian，SUN Dong-hua
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Space Technology and Physics，Lanzhou730000，China）

The new electric propulsion technology has the advantages of high specific impulse、small thrust、longevity of service，it well be the main propellant electric propulsion on new space platform.According to the electric propulsion system’s leakage of Xenon supply subsystem may be happened in the process of filling Xenon，we developed the equipment of Xenon gas leak detection.This paper introduced the technologies related to equipment structure、technical targets、detection methods，and performance results of the equipment.The test results showed：Xenon gas leak detection equipment technology can fully meet the need of electric propulsion system.

electric propulsion；Xenon；leak detection；test

TB774

A

1006-7086（2015）01-0020-04

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.01.005

2014-07-29

丁棟（1982-），男，陜西興平市，工程師，主要從事航天產(chǎn)品泄漏檢測和微量氣體質(zhì)譜分析工作。E-mail：dingdong118 @sina.com。