氙氣泄漏檢測設備的性能測試
新型空間電推進(jìn)技術(shù)具有高比沖、小推力、長(cháng)壽命等優(yōu)點(diǎn)，將廣泛應用于新一代衛星推進(jìn)系統中。由于氙氣具備較低的電離能和較高的原子能量，是電推進(jìn)主要的推進(jìn)劑。針對衛星電推進(jìn)系統氙氣供給子系統在加注氙氣過(guò)程中可能造成的泄漏，研制了氙氣泄漏檢測設備。通過(guò)介紹設備結構、技術(shù)指標、檢測方法等相關(guān)技術(shù)內容，給出了設備的性能測試結果。測試結果表明：研制的氙氣泄漏檢測設備完全能夠滿(mǎn)足電推進(jìn)系統加注氙氣時(shí)泄漏檢測的技術(shù)要求。
引言
離子電推進(jìn)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)。此技術(shù)具有高比沖、小推力、長(cháng)壽命等特點(diǎn)。這些特點(diǎn)正適合于航天器對推進(jìn)系統提出的高速飛行、長(cháng)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(jìn)的推進(jìn)劑。電推進(jìn)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(chǎng)的約束下，通過(guò)柵極加速，高速?lài)姵龆a(chǎn)生推力。
氙氣加注是由氙氣供給子系統完成的。氙氣貯存在貯箱中，經(jīng)過(guò)壓力控制系統將貯箱中氙氣輸送到多路流量控制系統中的每一路推力器中。真空技術(shù)網(wǎng)(http://likelearn.cn/)認為氙氣的儲量將直接影響電推進(jìn)的使用壽命。氙氣加注在發(fā)射場(chǎng)進(jìn)行，加注管路的密封性能、氙氣的純度均由氙氣供給子系統保證。為了確保加注過(guò)程可靠，衛星能夠在軌長(cháng)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(guò)程中氙氣泄漏進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。
1、氙氣泄漏檢測方法與設備
1.1、幾種氙氣泄漏檢測方法的比較
根據技術(shù)要求，氙氣泄漏檢測設備應該能夠檢測出泄漏在空氣中的氙氣濃度，泄漏量等內容。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(diǎn)，是一種常用的大型分析儀器。在醫學(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管進(jìn)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2×10-6 Pa；
(2)熱導傳感器法。利用不同氣體熱傳導率不同，在不同濃度下改變電阻原理而制成的傳感器，通過(guò)電信號測量檢測該氣體的濃度。類(lèi)似這種測量?jì)x器如：氫濃度測量?jì)x、CO報警器等。AP-G-氙氣-2是氙檢測儀，用于醫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(diǎn)進(jìn)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-氧氣標準氣體驗證，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(guò)表1的綜合比較，擬采用四極質(zhì)譜計法對氙氣進(jìn)行泄漏檢測。四極質(zhì)譜計法鑒別能力強，設備體積重量適中，非常適合用于發(fā)射場(chǎng)氙氣加注現場(chǎng)泄漏檢測。
1.2、設備結構
氙氣泄漏檢測設備結構框圖如圖1所示，包括四極質(zhì)譜計、高真空抽氣系統、進(jìn)樣系統、標準氣體校準系統和計算機等5部分。
圖1 氙氣泄漏檢測設備結構圖
1. 四極質(zhì)譜計電源；2. 四極質(zhì)譜計探頭；3. PKR251 型真空規；4. 質(zhì)譜室；5. 針閥；6. 標準氣體；7. 取樣管；8. 切換閥門(mén)；9. 機架；10. 取樣泵；11. 前級泵；12. 渦輪分子泵；13. 真空計；14. 計算機
1.3、設備技術(shù)指標
設備的主要技術(shù)指標為：
(1)質(zhì)譜室的極限壓力≤5×10-5 Pa，10 min內壓力波動(dòng)小于10%；
(2)質(zhì)譜室工作壓力范圍：1×10-3～5×10-3 Pa；
(3)啟動(dòng)時(shí)間：質(zhì)譜室保持真空條件下，高真空系統啟動(dòng)30 min后質(zhì)譜室壓力<1×10-4 Pa；
(4)設備總漏率<5×10-9 Pa·m3/s
(5)氙氣最小可檢濃度：體積濃度<1×10-5。
2、氙氣泄漏檢測設備性能測試
2.1、質(zhì)譜室性能測試
(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(guò)一系列烘烤除氣手段和較長(cháng)時(shí)間抽氣之后，能達到的最低壓力值。用真空計進(jìn)行測試；
(2)質(zhì)譜室壓力穩定度測試。壓力穩定度是在設備工作條件下，質(zhì)譜室工作壓力的波動(dòng)與工作壓力之比。測試方法為：在質(zhì)譜室壓力小于1×10-5 Pa時(shí)，通過(guò)調節針閥5進(jìn)樣，使壓力維持在工作壓力范圍內，記錄壓力和時(shí)間的變化曲線(xiàn)。在10 min時(shí)間段內，測量壓力波動(dòng)的偏差值與工作壓力之比即為壓力波動(dòng)；
(3)質(zhì)譜室工作壓力范圍測試。質(zhì)譜室工作壓力是質(zhì)譜室達到極限壓力后，通過(guò)調節針閥進(jìn)樣，使質(zhì)譜室壓力在設計的工作壓力范圍(1×10-3～5×10-3 Pa)內變化，能維持質(zhì)譜室的正常工作；
(4)啟動(dòng)時(shí)間測試。設備啟動(dòng)時(shí)間是指在設備初始狀態(tài)下，從開(kāi)機到質(zhì)譜室壓力維持在工作壓力范圍內所需的時(shí)間。
2.2、設備總漏率測試
設備總漏率測試是指通過(guò)氦質(zhì)譜檢漏儀對質(zhì)譜室總體進(jìn)行檢漏得到的漏率值。測試方法為：將設備與氦質(zhì)譜檢漏儀通過(guò)接口連接，標準漏孔安裝在質(zhì)譜室上，按照氦質(zhì)譜真空檢漏方法對質(zhì)譜室進(jìn)行總漏率測試。
2.3、氙氣泄漏檢測設備最小可檢濃度測試
由于氙氣是化學(xué)穩定的惰性氣體，具有明顯的特征峰，因此不會(huì )與空氣起反應，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(guò)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。設備最小可檢濃度的具體操作方法及步驟如下：
(1)設備加電，啟動(dòng)前級泵，待質(zhì)譜室壓力小于1.2×102 Pa，啟動(dòng)分子泵；
(2)待質(zhì)譜室內壓力小于1×10-4 Pa，用網(wǎng)線(xiàn)連接計算機與質(zhì)譜計；
(3)啟動(dòng)計算機與質(zhì)譜計，啟動(dòng)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(dòng)取樣泵，調節取樣閥進(jìn)樣，將質(zhì)譜室壓力控制在1×10-3～5×10-3 Pa范圍內；
(5)在計算機軟件中設置開(kāi)啟質(zhì)譜計燈絲與倍增器，啟動(dòng)多離子掃描模式，設置掃描M=132 u峰；
(6)觀(guān)察波形變化和波峰顯示情況，記錄氙氣本底噪聲IN和本底峰強度的穩定值I′132；
(7)配制不同濃度的氙氣-空氣混合氣體(標準氣體)C132；
(8)當設備處于最佳工作參數時(shí)，將步驟(7)配制好的標準氣體引入質(zhì)譜室中，測量M=132 u峰的離子流強度I132。設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(標準氣體)，其余為配制的氙氣-氮氣-氧氣混合氣體(標準氣體)。通過(guò)試驗驗證即可獲得設備最小可檢濃度。
試驗數據表明：氙氣加注泄漏檢測設備可以檢測到的最小濃度為1.0×10-7。氙氣泄漏檢測設備實(shí)測技術(shù)指標如表3所列。
表2 氙氣加注泄漏檢測設備最小可檢濃度
表3 氙氣泄漏檢測設備技術(shù)指標測試結果
3、結論
氙氣泄漏檢測設備經(jīng)過(guò)性能測試，技術(shù)指標滿(mǎn)足技術(shù)要求。其中最小可檢濃度的測量下限達到1×10-7。設備的靈敏度范圍在1×10-7～1×10-1之間，此靈敏度范圍可以檢測出小于1×10-6 Pa·m3/s的漏孔，滿(mǎn)足氙氣供給子系統漏率指標要求。然而，氙氣泄漏檢測設備檢測數據的準確性還需要通過(guò)標準氣體進(jìn)行校準。因此樣品的采集很重要，除了取樣管的材質(zhì)、尺寸、長(cháng)度有嚴格要求之外，還需對配制標準氣體的儀器氣密性、穩定性嚴格把關(guān)，同時(shí)還需要具有精確測量壓力的儀器。
氙氣泄漏檢測設備為靶場(chǎng)氙氣供給子系統加注氙氣提供保障，可以避免因泄漏引起的各種不安全因素。目前，該設備已正式交用戶(hù)方驗收，很快將應用于發(fā)射場(chǎng)電推進(jìn)氙氣加注過(guò)程中的泄漏檢測。
