Масс-спектрометрический газоанализатор с функциями течеискателя ТИ1-40

Назначение

Прибор предназначен для организация on-line контроля герметичности параметров технологических процессов и мониторинга окружающей среды с применением газового анализа спектра остаточного газа на опасных производствах, использование методик высокочувствительной масс-спектрометрии применением портативного мобильного масс-спектрометра.

Прибор относится к классу приборов неразрушающего контроля.

Область применения

Актуальность задачи определяется повышением требований к безопасности предприятий целого ряда отраслей промышленности и в частности энергетического комплекса, Федерального Агентства по Атомной Энергии, Роскосмоса и т.д. с одной стороны, развитием технологий современного производства, требующих более тщательной подготовки производства, более высоких точностей и непрерывного контроля параметров технологических процессов, которые, в свою очередь, часто связаны с применением вредных и опасных веществ, а также контроля состояния окружающей среды на производстве и в промзоне. Задача приобретает особую актуальность в связи с развитием нанотехнологий, требующих непрерывного контроля технологических процессов выращивания структур.

Описание

Этот прибор может использоваться как обычный течеискатель, но в качестве пробного газа выбирается любой газ по усмотрению оператора и разрешенный к применению в технологии производства. Прибор позволяет одновременно регистрировать весь спектр газов (паров) в условиях конкретного производства. Диапазон регистрируемых масс 1-360 а.е.м. Регистрация спектра производится в режиме on-line с выводом информации на дисплей 1/с. Время вывода информации включает в себя время математической обработки спектра. Минимальная чувствительность прибора составляет 10Е-12 м3 Па/с (Вт) по гелию или водороду и снижается в область трансурановых элементов пропорционально корню квадратному из отношения масс. Например для гексафторида урана (UF6 ) ожидаемая чувствительность составляет около 5х10Е-11 м3 Па/с. Все другие методы газового анализа, включая метод ядер конденсации, по сравнению с масс-спектрометрическим дают на 3-4 порядка более низкую чувствительность.

ТИ1-40 это портативный масс-спектрометр со 180° поворотом и двойной фокусировкой магнитным полем, анализатор которого собран на постоянных магнитах из сплава NdFeB (Неодим-Железо-Бор), обеспечивающих магнитное поле в зазоре масс-сепаратора 5000 Э. Применение постоянных магнитов позволило снизить вес прибора до 60 кг при габаритных размерах 560х480х470 мм. Масс-спектрометры типа МИ1305 или МИ1321, имеющие аналогичные характеристики весят около 800 кг, занимают площадь в несколько кв. метров и являются стационарными лабораторными установками, сложными в настройке и юстировке ионно-оптического тракта. Однако портативность прибора снижает его разрешающую способность вследствие малой дисперсной базы. Масс спектрометр ТИ1-40 обеспечивает приборное разрешение 20.

Поэтому разработан алгоритм и макет программы обработки спектра математическими методами, что повышает аппаратное разрешение до 100. Проведена серия экспериментов, подтвердивших технические характеристики прибора:

Таб.1 Технические характеристики ТИ1-40

Технические характеристики	ТИ1-40	Примечание
Минимальный регистрируемый поток по Не	1.10Е-12 м3.Па/сек
Минимальный поток с полнопоточным щупом	1.10Е-8 м3.Па/сек
Предельное рабочее давление на входе	10000 Па
Минимальное давление на входе	0,01 Па
Вакуумная схема со стабилизацией давления
Давление стабилизации	0,01 Па
Время реакции на поток	менее 1 сек	на входном фланце
Время реакции на поток с полнопоточным щупом	не более 5 сек	при длине щупа не более 10 м
Система управления	автоматическая	технический компьютер
Квазисенсорная мнемосхема на пленочной клавиатуре		Управление во всех режимах
Размерность регистрируемых потоков	м3.Па/сек / л.мкм.рт.ст/сек	цифровая / графическая
Диапазон регистрируемых масс	1-360 а.е.м.
Тип анализатора: Статический Динамический	масспектрометрический	Многоканальный на магнитных диполях С линейной разверткой Ua
Пробный газ	Любой	В диапазоне масс
Источник ионов	НИРА
Выводимая информация в процессе работы	Р1,Р2,Р3/обороты ТМН/ поток/режим работы	Постоянно
Установка «0» фона	Автомат	при включении
Настройка на выбранный пик	Автомат
Выход на режим готовности	15 мин
Время непрерывной работы	Не ограничено
Выносной индикатор регистрации потока	до 10 м	дублируется звук.и свет. сигналом
Вывод информации	технический компьютер, архивирование
Управление настройками течеискателя	технический компьютер
Автоматика защиты	Источник ионов/ТМН/УЭ

Азотная ловушка внешняя	нет
Сервисные функции Опрос исправности системы при включении. Самодиагностика в процессе работы Оповещение превышения установленной концентрации		В том числе удаленно
Напряжение питания	220 В
Потребляемая мощность	0,7 Квт	Без доп. ФВН
Габаритные размеры	560х480х470	Уточняются в процессе разработки
Вес	60 кг	Без транспорт. тележки

Гелиевые масс-спектрометрические течеискатели имеют один существенный недостаток- применение конкретного пробного газа (как правило это гелий, очень редко используется водород ) приводит к тому, что контроль герметичности изделий промышленности и технологического оборудования производится только на стадии ввода их в эксплуатацию. Далее разгерметизация устанавливается либо в процессе технического обслуживания, либо по факту выхода из строя оборудования или нарушения технологического процесса. Часто разгерметизация приводит к катастрофическим последствиям. Так нарушение герметичности реакторов, конверсионных линий, контейнеров в хранилищах отработанного топлива на предприятиях ФААЭ может привести к выходу радиоактивности в окружающую среду. Попадание кислорода в трубопроводы регенерации UF6 в процессе конверсии чревато взрывом. Разгерметизация отсеков в космосе представляет опасность для жизни космонавтов, выход аммиака, фтора, хлора на химических производствах грозит экологической катастрофой, поэтому существует необходимость контроля герметичности оборудования НЕПОСРЕДСТВЕННО В ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ цикле, не нарушая его и не внося НИКАКИХ примесей.

Так прибор подключенный в линию конверсии гексафторида урана после проверки герметичности традиционными способами продолжает контролировать состав паро-газовой смеси внутри установки. При этом появление пика кислорода является свидетельством разгерметизации и прибор включит тревожную сигнализацию при потоке кислорода превышающем установленный порог, который может достигать 10Е-12 Вт. Кроме того очень важен подбор режима переработки для повышения выхода Урана и Фтора, как сырья плавиковой кислоты. Этот же прибор контролирует содержание продуктов разделения UF6 и позволяет корректировать температуру и поток в технологическом цикле.

Большой интерес представляет контроль герметичности объектов, вставленных один в другой (матрешка) . Так например при сухом хранении ОЯТ топливо помещается в герметичный контейнер, который после упаковки ТВЭЛов заваривается. Заваренный контейнер помещается в герметичный пенал, в крышке которого предусмотрен клапан, обеспечивающий доступ в межстеночное пространство. Через этот клапан осуществляется заполнение пенала азотно-гелиевой смесью для обеспечения теплоотвода от внутреннего контейнера. Вся эта конструкция устанавливается в бетонное гнездо, плотно облегающее пенал и перекрывающее доступ к сварным швам. По техническим условиям такая конструкция должна обеспечивать герметичность упаковки ТВЭЛов на протяжении 70 лет. Должен осуществляться периодический контроль герметичности внутреннего и внешнего контейнеров.

В случае использования «матрешки» контроль герметичности контейнера и пенала может быть осуществлен при подключении ТИ1-40 к клапану пенала. Аналогично предыдущему случаю, появление пика кислорода будет свидетельствовать о разгерметизации внешнего пенала. Контроль состояния внутреннего контейнера может производиться по наличию в межстеночном пространстве продуктов распада топлива, например Не3 + Н3 или (и) Kr85 . Появление в спектре регистрируемого количества продуктов распада будет свидетельствовать о начале разгерметизации внутреннего контейнера. В этом случае последний выгружается и проводятся мероприятия по его герметизации. Эти задачи могут быть решены только применением высокочувствительного газоанализатора.

Во всех случаях предупреждаются экологические инциденты и контролируется технологический процесс.

К настоящему моменту проведены научно исследовательские работы:

произведены необходимые расчеты физической и электронной части,

подготовлена математическая модель прибора,

подготовлен и опробован программный продукт обработки спектра,
создан физический макет спектрометра.

Ожидаемое использование результата работы:

контроль герметичности действующего оборудования в процессе эксплуатации на экологически напряженных предприятиях;
экологический мониторинг по любому веществу с установкой пороговых допустимых значений, при превышении которых производится оповещение (в том числе удаленное) заинтересованных лиц и (или) организаций;
геологические исследования по сопутствующим газам(парам);
контроль состояния нефте- и газопроводов;
контроль телекоммуникационных линий;
диагностика состояния пациентов в медицине по составу выдыхаемого газа;
таможенный контроль провоза вредных и опасных веществ;
криминалистика.

Для изготовления опытного образца прибора и внедрения прибора в серийное производство необходимо проведение ОКР, оформление конструкторской и эксплуатационной документации, подготовка производства, проведение промышленных испытаний.

Заказать ТИ1-40 Масс-спектрометрический газоанализатор с функциями течеискателя