24

Київський національний університет імені Тараса Шевченка

Методичні вказівки

до проведення лабораторної роботи

"Визначення місць натікання за допомогою гелійового течошукача ПТИ - 7А"

для студентів радіофізичного факультету

Київ 2000

Методичні вказівки до проведення лабораторної роботи "Визначення місць натікання за допомогою гелійового течошукача ПТИ - 7А" для студентів радіофізичного факультету (автори І.І. Бех, О.Є. Лушкін, Б.І. Михайловський, В.Б. Назаренко, В.М. Телега. - Київ, КУ, 1998, - 25 с.)

Методичні вказівки склали:

І.І. Бех, аспірант,

О.Є. Лушкін, канд. фіз.-мат. наук, доцент,

Б.І. Михайловський, канд. фіз.-мат. наук, доцент,

В.Б. Назаренко, аспірант.

В.М. Телега, провідний інженер,

Рецензент: В.Я. Черняк, канд. фіз.-мат. наук, доцент.

Затверджено Радою

радіофізичного факультету

"___"____________ 1999 р.

Мета роботи

1. Ознайомитися з методами течошукання.

2. Оволодіти методикою течошукання за допомогою мес-спектрометричного гелійового течошукача ПТИ-7А

3. Оволодіти методикою складання науково-технічного звіту по ндр.

Вступ

Для здійснення цілого ряду технологічних операцій, для проведення наукових досліджень все більш широко застосовується вакуум. Одержання вакууму - це складний процес, який, в першу чергу, потребує герметичності системи, в якій він одержується. Тому обов'язковою операцією при створенні відкачної системи є перевірка спочатку її окремих вузлів, а потім і всієї системи в цілому на вакуумну герметичність.

Методи течошукання повинні не тільки виявляти наявність натікання, але й давати можливість знайти його місце та величину. Причому промислові методи випробувань повинні бути порівняно простими і не вимагати від оператора високої кваліфікації. Цим вимогам в тій чи іншій мірі задовільняють метод опресовки (випробування при надлишковому тиску) та газового розряду для визначення великих натікань (більше 1×10^-2 мм рт.ст.×л/с), метод манометрів та метод паладійового бар'єру для виявлення середніх натікань (більше ~ 1×10^-5 мм рт.ст.×л/с), галогенний та мас-спектрометричний методи, які дозволяють оцінювати натікання при більш високому вакуумі, для виявлення натікань ~ 1×10^-6 - 1×10^-10 мм рт.ст.×л/с.

Прилади, які використовуються для виявлення місць натікання, отримали назву течошукачів.

Найбільш загальною характеристикою течошукачів є їх здатність реагувати на деякі речовини (в основному гази), які називають пробними. Процес пошуку натікання полягає у вловлюванні датчиком течошукача пробної речовини, яка потрапляє до відкачної системи через місце натікання, і створення відповідного сигналу, за величиною якого можна судити про розміри цього натікання.

Основним параметром течошукачів є їх чутливість, яка визначається здатністю приладу реагувати на мінімальну концентрацію пробної речовини в об’ємі, що відкачується. Чим вища роздільна здатність приладу, тим різкіша його реакція на пробну речовину, а отже, й більша чутливість. Тому обираються такі пробні речовини, які за фізико-хімічними властивостями істотно відрізняються від тих газів, що є в об’ємі. Якщо при користуванні манометричними течошукачами, пробна речовина викликає появу додаткового сигналу на загальному фоні, який створюється всіма присутніми в об’ємі залишковими газами, то найбільш вдосконалені та високочутливі течошукачі (мас-спектрометричні, галогенні, радіоактивні) реагують тільки на пробні речовини незалежно від присутності повітря, пари та інших газів.

Вивченню одного з найбільш високочутливих методів, а саме мас-спектрометричного методу пошуку натікань присвячена ця лабораторна робота.

Теоретична частина

1. Герметичність вакуумних систем

Герметичність вакуумної системи - це властивість всіх її елементів та їх з'єднань забезпечувати відсутність натікання газу в систему чи настільки мале його проникнення, щоб ним можна було нехтувати в робочих умовах.

Натікання газу відбувається через місця порушення герметичності, які називаються течами. Як би ретельно не виготовлялись вакуумні системи, практично неможливо досягнути повної відсутності теч, але можна досягнути того, щоб сумарне натікання залишалось у допустимих межах. Для розуміння такого випадку необхідно вміти провести аналіз роботи вакуумної системи.

Щоб спостерігати за натіканням вакуумна система повинна мати у своєму складі хоча б манометричний перетворювач та вентиль, за допомогою якого можна ізолювати систему від насоса.

Нехай при відкритому вентилі в системі встановиться рівноважний тиск . Якщо відомо, що даний насос може створювати граничний залишковий тиск P_зал, то при порівнянні фактично досягнутого у вакуумній системі тиску з тиском P_зал, можливий один з двох випадків:

1) P ~ P_зал ;

2) Р > Р_зал .

В першому випадку систему можна вважати герметичною або вакуумно-щільною. Якщо ж Р > Р_зал , то це можна пояснити трьома причинами:

1) несправністю вакуумного насоса;

2) газовиділенням всередині вакуумної системи;

3) натіканням в систему атмосферного повітря.

Щоб знайти реальну причину такого становища, спочатку відокремлюють за допомогою вентиля систему від насоса. Далі, вважаючи момент закриття вентиля за початковий, періодично вимірюють тиск в системі та будують графік залежності Р=f(t) (мал.1.).

Якщо тиск Р, при якому було закрито вентиль, залишається практично постійним на протязі досить тривалого часу на рівні Р > Р_зал (пряма а), то це означає, що вакуумна система не може бути відкачана до P_зал за причини несправності самого насоса.

Якщо тиск P спочатку зростає (крива б), а потім, починаючи з деякого моменту часу, перестає змінюватись, то слід припустити про наявність в системі джерела газовиділення (зростання тиску зменшується при наближенні до рівноваги між виділенням та поглинанням газу чи пари).

Якщо ж тиск зростає пропорційно часу (пряма в), то причиною цього є негерметичність, тобто наявність теч у вакуумній системі.

Найбільш цікавим є саме останній випадок. Нехай за час Dt після закриття вентиля тиск в системі підвищився від Р₁ до Р₂. Тоді уявлення про ступінь герметичності системи можна одержати, якщо відомо, як швидко підвищується тиск, тобто яку величину має відношення DP/Dt (мал.1.). Проте тільки за швидкістю зміни тиску не можна дати кількісної оцінки ступеня герметичності, через те що однакові кількості газу в системах, які мають різні об'єми, викличуть різне зростання тиску.

Мал. 1. Зміна тиску у вакуумній системі після відключення її від насоса.

а - несправний насос; б - газовиділення в системі; в - натікання в систему

Тому, якщо потрібна кількісна оцінка натікання, слід приймати до уваги не тільки швидкість зростання тиску у вакуумній системі, але й її об'єм V, тобто

, (1)

де Q_нат - натікання, тобто потік газу з оточуючої атмосфери в вакуумну систему (вимірюється в одиницях потоку);

V - об'єм вакуумної системи;

DP - зміна тиску в системі за час Dt;

Dt - час, на протязі якого система ізольована від насоса.

Таким чином, натікання, яке характеризує герметичність вакуумної системи, визначається добутком об'єму вакуумної системи на зміну в ній тиску газу за одиницю часу після зупинки відкачування.

Щоб з’ясувати питання про допустиме сумарне натікання, розглянемо два випадки, які є найбільш характерними.

1. При безперервному відкачуванні системи з ефективною швидкістю відкачування S₀ (л×с^-1) вимагається отримати тиск не більше Р. Тоді вираз для допустимого натікання має вигляд

. (2)

Підставивши в (2) вираз для S₀, яке визначається основним рівнянням вакуумної техніки

,

де S_н - швидкість відкачування насоса;

U - пропускна здатність трубопроводу,

отримаємо:

. (3)

Звідси витікає, що при певних значеннях S_н та U, потрібний тиск Р у вакуумній системі буде забезпечено і за наявності натікання, тобто сумарне натікання в цих умовах можна вважати допустимим.

2. В ізольованій системі з об'ємом V, яка знаходиться під вакуумом або можливо й під надлишковим тиском, змінювання тиску за рахунок негерметичності не повинно перевищувати DP на протязі часу Dt. Тоді допустиме натікання повинно бути

. (4)