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      氦質譜檢漏儀

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      氦質譜檢漏儀的歷史

      氦質譜檢漏儀的歷史


            氦質譜檢漏儀發展史必須追溯到40年代的初期。檢漏儀的歷史始于1943年, 當時正處于第二次世界大戰期中。當時, 科學家獲知德國正在研制一種新型炸彈。這種炸彈的原理就是基于剛剛發現的鈾的同位素的裂變現象。羅斯??偨y認為必須搶先達到此目的, 于是誕生了“曼哈頓”計劃。這個計劃的兩個目標之一就是研制鈾235炸彈(即原子彈)。為此, 必須研制超高靈敏的檢漏儀。其原因還得從鈾235的濃縮談起。

            天然鈾中含有鈾238和鈾235兩種同位素。能夠發生裂變反應的同位素是鈾235, 是原子彈的主要原料??墒翘烊烩欀锈?35的含量僅0.7%。為此,科學家只能采用氣體擴散法,從鈾238中把含量甚微的鈾235分離出來。氣體擴散法分離時鈾238的原理是這樣的:若有一個極其微小的孔隙, 部么氣體分子通過這個微孔的速率取決于它們的分子量。分子量小的氣體分子能夠較快的通過這些微孔。如果讓混合氣體通過由多孔膜形成的長管, 就可以成功地把兩種氣體分離。

      鈾235是固態, 而擴散分離需要的是氣體。為此, 得把金屬鈾變成氮化物UF6,UF6在室溫下就會蒸發。一個不利的因素是。在潮濕氣氛中很容易生成腐蝕性很強的氫氟酸和鈾的氧化物。鈾的氧化物又是危險的易燃易爆材料。這兩種情況在氣體擴散分離法中應當防止。

      在曼哈頓計劃中, 鈾235的分離是把UF6通過幾公里長的多孔管道的擴散后才獲得的。

            對整個擴散系統的密封性要求之高是前所未有的。潮濕空氣絕對不能進入工藝容器之中。雅可比博士在當時被譽為曼哈頓計劃中的橡樹嶺擴散工廠的總設計師。為了成功的分離出鈾235,他對真空檢漏技術提出的嚴格的要求有(1)新的儀器對空氣和殘余氣體的讀數是零, 僅對示蹤氣體有響應。(2)新的儀器本身也是一個抽速較高的真空系統(3)儀表的指示能夠反映出漏孔的大小, 漏量的大小。這三點要求實際上構成了研制新型檢漏儀器的準則。在研制過程中, 對傳統的檢漏方法、光譜儀和皮喇尼規進行了考察。發現在實際運用中都存在著不少的缺點。當時,明尼蘇達州州立大學的尼爾博士正在研制一種可以記錄分子量和原子量大小的質譜儀。經過分析, 雅可比認為如果尼爾博士能夠使儀器簡化, 那么質譜儀將是一種Z好的選擇性檢漏裝置。

            當時還論證了新型檢漏裝置的示蹤氣體必須滿足三個要求(1)系統的殘余氣體的質潛中沒有它的譜線。即便儀器處于大氣環境, 這種氣體在儀器中也幾乎不存在(2)能夠在試驗狀態下很容易地把它從系統中抽出, 所用的示蹤氣體不會污染系統(3)分子量低、粘度低、購置方便。顯然,氦氣是滿足這三個要求的Z理想的氣體。

      橡樹嶺的擴散工廠主要是由大型圓柱形容器構成。容器與油罐車上的油罐的大小相當。廠內的大型容器數以百計,一個又一個的聯結在一起。其內部有可以有效分離出鈾235的含有微孔的長管。為了防止泄漏,必須對所有容器的器壁進行嚴格而認真的檢漏。

             Z初用于橡樹嶺擴散工廠的氦質譜檢漏儀封裝在玻殼中。其零部件和管道也是玻璃制成的。抽氣裝置又用的是玻璃式水銀擴散泵。當這些由玻璃封裝的檢漏儀進入現場后損壞很大。玻璃系統經常破碎,不得不請許多玻璃工進行維修。在當時, 熟練的玻璃工實在太少了。后來參加調試的人員不得不發出Z后通諜:如果檢漏儀不能作成實用型,他們將拒絕使用。尼爾博士在十分困難的情況下,終于研制成功了金屬的質譜計和金屬式的真空系統。這也是現代氦質譜檢漏儀的雛形。金屬式氦質譜檢漏儀的研制成功終于適應了擴散工廠對檢漏的嚴格的要求。檢漏儀的研制成功為后來原子彈的研制成功作出了歷史性的貢獻。

              尼爾博士將設計圖紙全部交給了通用電氣公司并簽訂了合同,不久后,橡樹嶺擴散工廠所用的氦質譜檢漏儀便全是由美國通用電氣公司生產的,在生產過程中, 又作了不少的改進。擴散泵前增加的冷阱便是為改進氦質譜檢漏儀所作的新貢獻。

             1946年初,真空電子工程公司與電動力學公司合并后也開始生產銷售的氦質譜檢漏儀。當時, 通用電氣公司的氦質譜檢漏儀已有若干個型號的產品。真空電子工程公司是由戰時的Kellex公司的檢漏小組的幾位研究生創辦的,他們是銳伯,尼爾肯。60年代后, 通用電氣公司不再生產檢漏儀。幾經合并后, 險漏儀由Ametek公司生產。真空電子工程公司生產的檢漏儀基本上籠斷了這個領域達40年之久?,F在用戶已可以自由選擇國內外生產的不同型號、規格的氦質譜檢漏儀。

             1945年以來,氦質譜檢漏儀的制造工藝已經有了很大的改進。1947年,檢漏儀的靈敏度

      均為10-4Pa.L/S;到1970年, 提高到可檢測10-7Pa.L/S的漏率;而今天已能能夠檢測到10-9Pa.L/s的漏率。與此同時, 檢漏儀的體積和質量也大大降低。90年代初,Z小的氦質譜檢漏儀的體積只有0.05m3重約38.5Kg。

             新型的氦質譜檢漏儀中已經沒有手動閥?,F已采用自控閥自動調節運轉時的誤差。同時用渦輪分子泵取代了油擴散泵, 以捎除可能造成的油返流。計算機技術也在氦質譜檢漏儀中獲得應用。運轉、控制和輸出數據均由計算機自動操作完成。典型的示波器已由陰極射線管顯像屏所代替。整個操作只須按各種按鈕自動進行。新型的檢漏儀現在已經可能在個小時內測試2000個半導體元件。氦質譜檢漏儀在未來的歲月中還將在許多的工業領域中得到新的應用。




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