氙氣泄漏檢測設(shè)備的性能測試
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、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。
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)。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。真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)認為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2×10-6 Pa；
(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)、標準氣體校準系統(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. 四極質(zhì)譜計電源；2. 四極質(zhì)譜計探頭；3. PKR251 型真空規(guī)；4. 質(zhì)譜室；5. 針閥；6. 標準氣體；7. 取樣管；8. 切換閥門；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(shè)備技術(shù)指標
設(shè)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(nèi)壓力波動小于10%；
(2)質(zhì)譜室工作壓力范圍：1×10-3～5×10-3 Pa；
(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<1×10-4 Pa；
(4)設(shè)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(shè)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)過一系列烘烤除氣手段和較長時間抽氣之后，能達到的最低壓力值。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1×10-5 Pa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(1×10-3～5×10-3 Pa)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如下：
(1)設(shè)備加電，啟動前級泵，待質(zhì)譜室壓力小于1.2×102 Pa，啟動分子泵；
(2)待質(zhì)譜室內(nèi)壓力小于1×10-4 Pa，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1×10-3～5×10-3 Pa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(標準氣體)C132；
(8)當設(shè)備處于最佳工作參數(shù)時，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(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)。通過試驗驗證即可獲得設(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)指標如表3所列。
表2 氙氣加注泄漏檢測設(shè)備最小可檢濃度
表3 氙氣泄漏檢測設(shè)備技術(shù)指標測試結(jié)果
3、結(jié)論
氙氣泄漏檢測設(shè)備經(jīng)過性能測試，技術(shù)指標滿足技術(shù)要求。其中最小可檢濃度的測量下限達到1×10-7。設(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1×10-6 Pa·m3/s的漏孔，滿足氙氣供給子系統(tǒng)漏率指標要求。然而，氙氣泄漏檢測設(shè)備檢測數(shù)據(jù)的準確性還需要通過標準氣體進行校準。因此樣品的采集很重要，除了取樣管的材質(zhì)、尺寸、長度有嚴格要求之外，還需對配制標準氣體的儀器氣密性、穩(wěn)定性嚴格把關(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。
