Методическое пособие 225

Отчет должен содержать

1.Описание типов пароструйных насосов, область действия пароструйных насосов.

2.Схему конструкции пароструйного насоса.

3.Параметры и характеристики пароструйных насосов.

4.Характеристики рабочих жидкостей.

5.Факторы, определяющие Рпред, Sн пароструйного насоса.

6.Правила техники безопасности при работе с вакуумными насосами.

7.Порядок работы основного и вспомогательного насосов.

8.Расчет типа и размера основного и вспомогательного насосов по заданным предельному давлению Рпред и суммарному потоку газов Qmax, поступающих в вакуумную камеру.

Контрольные вопросы

1.Какие марки масла применяют в диффузионных насосах?

2.Каков механизм захвата молекул откачиваемых газов в струю пара из сопла?

3.Чем может быть вызвана нестабильность работы диффузионных насосов?

4.Какие различия существуют в конструкциях и характеристиках высоковакуумных и бустерных насосов?

5.Как изменяются характеристики насосов при попадании в горячее масло атмосферного воздуха?

6.Чем обусловлено требование запуска диффузионных насосов при давлении ~1 Па?

7.На что следует обращать внимание в водяном охлаждении диффузионных насосов? Каковы требования к температуре охлаждающей воды?

8.Как изменяются характеристики диффузионных насосов при изменении мощности подогрева кипятильника?

9.Какие процессы происходят в высоковакуумном насосе непосредственно после включения нагревателя?

10.Какая ступень в многоступенчатом паромасляном насосе определяет быстроту откачки?

11.Какова методика выбора типа и размера основного и вспомогательного насосов?

19

Лабораторная работа № 4

ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДОВ ТЕЧЕИСКАНИЯ

Цель работы: ознакомиться с устройством галогенного и гелиевого течеискателей, масс-спектрометрической камеры. Освоить методику обнаружения негерметичностей в вакуумных объектах опрессовкой галогенсодержащими газами и с помощью гелиевого течеискателя.

Оборудование: измерительный блок галогенного течеискателя; выносной щуп течеискателя в форме пистолета; гелиевый течеискатель; вакуумные объемы с течами; баллон со сжатым фреоном12; редуктор давления; манометр редуктора; шланг для подачи фреона в объем; подушка с гелием; обдуватель с краном; грибок с манометрами ЛТ-2 и ЛМ-2; вакуумметр ВИТ-2.

1. Теоретические сведения

Негерметичность вакуумной системы характеризуют количеством газа, проникающего извне через малые случайные каналы — течи:

В=Vdp/dt. (1) Величину В (м3 Па/с или л мТорр/с, 1 л мТорр/с=1,33 10–4 м3 Па/с) называют натеканием и относят к стандартным условиям: внешнее давление pа=1,013 105 Па (760 Торр), проходящий газ — воздух. Натекание выражается скоростью роста давления при неработающих насосах. Натекание ограничивает предельный вакуум, достижимый в системе pnp=B/S, где S — быстрота откачки насосов в условиях динамического равновесия. Поток газа через течь при вязкостном и молекулярном режимах для натекания в произвольных условиях, выраженный через натекание воздуха в стандартных условиях:

Здесь г и Мг — вязкость и молекулярный вес произвольного газа; p2 и p1 — давление газа по обе стороны течи. Характер потока через течь трудно установить. Условно считают, что при истечении из атмосферы в вакуум при В<1,33 10–8 м3 Па/с режим молекулярный,

20

особенно для легких газов (Не, Н2); при B 1,33 10–6 м3 Па/с — режим промежуточный (ближе к молекулярному для легких газов); при В>1,33 10–4 м3 Па/с режим считают вязкостным.

Основным параметром течеискателя является чувствительность, которая характеризуется минимальной величиной потока пробного вещества, определяемой прибором или концентрацией пробного вещества в атмосфере, которую способен фиксировать течеискатель.

Требования к герметичности зависят от назначения и характера вакуумной системы. Если в динамических системах с непрерывной откачкой известны насосы (Sн) и необходимое давление pпр, то суммарное натекание через все течи должно удовлетворять условию

желательно с некоторым запасом. Для статических (отпаянных) систем без откачки задается срок службы tcл до допустимого предела повышения давления из-за течей pпр, и требование к натеканию имеет вид

Bст Vpnp/tcл. (4)

Пусть в динамической системе Sн=10 л/с, pпр=1 10–5 Па, тогда

Bдин 1 10–7 м3 Па/с; если же pпр=10–2 Па, Sн=10000 л/с, то

Bдин 0,1 м3 Па/с. Требования к герметичности динамических систем широко различаются в зависимости от рабочих условий. Для статической системы со сроком службы tcл=3 года (108 с) и с объемом V=1 см3 при pпр=10–2 Па получаем Bст 0,1 м3 Па/с. В статических системах требования к герметичности более жесткие из-за отсутствия постоянной откачки.

Если в системе не удается достичь необходимого низкого давления, перед поиском течей желательно доказать, что именно течи, а не газоотделение препятствуют откачке. Этот вывод можно сделать в результате наблюдения за характером повышения давления после остановки насосов. Затем определяют ориентировочное местонахождение течи с точностью «до узла», разделяя объем системы на узлы с помощью вентилей (если они есть) и наблюдая за давлением в каждом узле.

21

Обычно отверстия течей столь малы, что их невозможно обнаружить на глаз. Даже сравнительно крупная течь (В=10–6 м3 Па/с) имеет пропускную способность U=1,3 10–8 л/с, что ориентировочно соответствует условному диаметру отверстия порядка 10–2 мм. Природа течей различна; это могут быть трещины, поры, неплотности в сварных швах, складки резины в уплотнениях, даже диффузия газа через толщу материала. Методы течеискания могут быть вакуумными и невакуумными в зависимости от состояния системы во время поисков течей. Невакуумные методы требуют перерыва в нормальной работе системы. Большинство методов течеискания основано на избирательной способности специально сконструированных приборов (течеискателей) реагировать на пробные газы, используемые для обнаружения течи. Когда пробный газ проникает в течь, индикатор дает сигнал. Наиболее совершенны масс-спектромет- рические течеискатели, выделяющие пробный газ на фоне воздуха.

Наиболее простым из невакуумных методов является метод опрессовки, когда в систему подают воздух под давлением, большим атмосферного. Подозреваемые на течь места смазывают мыльным раствором или погружают систему целиком в воду. Появление пузырьков указывает местонахождение течи.

Манометрический метод течеискания использует зависимость показаний манометров от давления газа. При замещении воздуха пробным газом резко меняется отсчет манометра в момент попадания пробного вещества в течь.

Пробные вещества лучше применять в жидкой фазе, так как через одинаковые течи жидкости поступает больше, чем газа. Обычно при покрытии извне течи пробной жидкостью показание манометра увеличивается. Картина явлений в манометре при этом довольно сложная, изменение показаний кроме роста давления вызывается изменением чувствительности манометра и (предположительно) разложением на горячем вольфрамовом катоде сложных органических молекул на множество простых.

Количественная оценка показывает, что при давлении порядка 10–5 Па с помощью водорода манометром ЛМ-2 могут быть обнаружены течи менее 10–7 м3 Па/с.

При люминесцентном методе течеискания жидкость — люминофор покрывает поверхность объема, под действием капиллярных сил проникает в течь и затем обнаруживается по свечению.

22

При выдержке в течение 40-50 суток обнаруживаются течи 10–11 м3 Па/с. Аналогичным образом при радиоактивном методе производят выдержку деталей под избыточным давлением радиоактивного газа и последующую проверку на активность. Этим методом обнаруживаются течи до 10–12 м3 Па/с. Катарометрический течеискатель применяется для системы под избыточным давлением. Он основан на принципе сравнения теплопроводности воздуха и вытекающего из течи пробного газа. Для течеискания можно применять динамические масс-спектрометры, например омегатрон при настройке на гелий позволяет обнаружить течи до 2,7 10–11S м3 Па/с, где S — быстрота откачки испытуемого объема по гелию.

Чувствительность течеискателя можно также охарактеризовать минимальным парциальным давлением или минимальной концентрацией пробного газа в течеискателе; чувствительность можно выразить отношением парциального давления к отсчету (Торр на деление). Для проверки чувствительности течеискателей их калибруют по стандартным течам, использующим диффузию гелия через кварц.

В галогенном течеискателе использовано свойство накаленной платины (~800 °С) в присутствии галогенов или галогеносодержащих веществ (фреон, четыреххлористый углерод, трихлорэтан, соединения йода и брома).

Ионизация на поверхности платины атомов щелочных металлов, испаряемых с поверхности керна спирали датчика, происходит из-за роста работы выхода платиновой поверхности. Вакуумную систему опрессовывают («надувают») смесью фреона с воздухом под давлением, большим атмосферного, и датчик извне регистрирует утечку фреона из микроотверстий.

Галогенные течеискатели имеют два типа преобразователей: вакуумный и атмосферный. Течеискатели с вакуумными преобразователями применяют для контроля вакуумных систем с относительно низкими требованиями к их герметичности, течеискатели с атмосферными преобразователями — для контроля газонаполненных систем, работающих в вакууме и допускающих опрессовку галогеносодержащим газом.

Датчик галогенного течеискателя представляет собой диод прямого накала, у которого эмиттирующий электрод имеет вид спирали из платиновой проволоки, нагреваемой током; коллектор

23

ющей воздух в датчик, и телефон, который издает щелчки с частотой, зависящей от попадания фреона в датчик (рис. 1, а). Вакуумный датчик подключают к вакуумной системе с помощью фланца

(рис. 1, б).

При испытаниях вакуумный преобразователь предпочтительно присоединять к высоковакуумной части системы. Минимальный обнаруживаемый поток газа через течь при таком расположении преобразователя уменьшается, так как повышается стабильность температуры эмиттера (колебания форвакуумного давления приводят к нестабильности этой температуры) и соответственно фонового тока, исключаются эффекты сорбции фреона на переходных коммуникациях и снижается степень загрязнения преобразователя.

Поток газа через течь, зависящий от давления опрессовки и концентрации галогена в обследуемой системе, вычисляют по формуле для вязкостного режима течения газа.

Помещение, в котором проводят испытания галогенным течеискателем, должно иметь приточно-вытяжную вентиляцию. Содержание галогенов в нем не должно превышать 10–4 %.

Чувствительность галогенного течеискателя возрастает в зависимости от концентрации фреона в объекте и от квадрата давления опрессовки. При испытании чистым фреоном максимальное давление определяется прочностью установки и упругостью паров

24

фреона при температуре испытаний. Для фреона Ф-12 при 25 °С и p=6,63 кг/см2 можно получить чувствительность порядка

10–9 м3 Па/с.

Существуют варианты галогенного течеискателя для работы в системе под вакуумом. Установка снаружи обдувается фреоном или другим газом с галоидами, при этом внутри можно обнаружить парциальное давление галоидов до 10–6 Па.

Гелиевые течеискатели представляют собой статические масс-спектрометры, настроенные на регистрацию гелия. Использо-

25

Камера отделена от насоса вентилем, поэтому размораживание ловушки не приводит к загрязнению камеры маслом. Существует байпасная линия с двумя вентилями, позволяющая откачивать камеру течеискателя от атмосферного давления непосредственно механическим насосом. Ионный ток измеряется высокостабильным усилителем постоянного тока. Уменьшение мощности накала насоса НВО-40 от 450 до 220 Вт позволяет снизить быстроту откачки по гелию до 6-7 л/с. При рабочем давление воздуха в камере pв и быстроте откачки камеры по воздуху Sв поток воздуха равен Qв=pвSв. При концентрации гелия в воздухе =1/200000 соответствующий поток гелия равен Qг= Qв=5 10–6Qв. Считая достоверным сигналом о течи удвоение отсчета индикаторного прибора и используя уравнение (2), получаем чувствительность гелиевого течеискателя к минимально обнаруженной течи воздуха B=3,71 10–6pвSв. Таким образом, уменьшение быстроты откачки по гелию Sг должно приводить к накоплению гелия в камере и к повышению чувствительности. Гелиевые течеискатели допускает регулировку чувствительности изменением мощности подогревателя насоса НВО-40. Понижая мощность, можно уменьшить быстроту откачки по гелию в 10-16 раз при неизменной быстроте откачки по воздуху Sв (около 65 л/с). Если же, наоборот, увеличить мощность насоса, то чувствительность течеискателя уменьшится из-за роста Sг. Второй режим обычно используют для быстрого и грубого определения крупных течений, первый — для медленного и точного поиска мелких течей.

На чувствительность гелиевых течеискателей влияют динамические процессы установления парциального давления гелия в системе, т. е. временные характеристики течеискания. Пусть в момомент времени t=0 в систему с объемом V, не содержащую гелия, начинает поступать через течь поток гелия Qr. Рост парциального давления гелия в системе

описывается уравнением

V dpг Qг pгSг , dt

26

Таким образом, рис. 3, предельное равновесное давление гелия в системе, равное Qr/Sr, тем больше, чем меньше Sr, т. е. для повышения чувствительности выгодно уменьшить быстроту откачки по гелию. Однако скорость нарастания давления гелия определяется постоянной времени системы по гелию r=V/Sr. C уменьшением Sr увеличивается r, медленнее нарастает pr и растет задержка индикаторного сигнала течеискателя. Через время t=3 r давление гелия достигает 95 % равновесной величины Qr/Sr

Регулируя Sr, мы выигрываем в чувствительности, но одновременно проигрываем в скорости течеискания. Если же увеличить быстроту откачки гелия и тем самым уменьшить задержку индикаторного сигнала (повысить скорость роста pr), то одновременно уменьшится предельное давление гелия Qr/Sr, и мы проигрываем в чувствительности к малым течам. Если в момент t1>0 прекратить обдув течи гелием (положить Qr=0), то давление гелия в системе будет убывать по закону

При малой величине r «импульс» давления гелия в системе почти прямоугольный, однако высота его мала.

Схема магнитного масс-спектрометра показана на рис. 4.

Ионизация анализируемого газа в ионном источнике 2 производится пучком медленных электронов, эмиттируемых накаленным катодом 3 и нейтрализуемых на коллекторе электронов 1. Ионы вытягиваются из ионизатора через узкую выходную щель 4, ускоряются напряжением U и дополнительно фокусируются полем электрических линз 5. Пучок моноэнергетических ионов, имеющих разные скорости v=(2eU/m)1/2 в соответствии с их массой M и зарядом e, попадает в зону действия поперечного магнитного поля B магнита 6 и, меняет направление движения под

27

влиянием лоренцовой силы. Радиус поворота R=(2mU/e)1/2/B в течеискателях серии ПТИ выбран 4 см для гелия. Поэтому через входную щель 7 на коллектор 5 попадают только ионы гелия. Ионы других газов на коллектор не попадают. Далее ионный ток коллектора проходит через усилитель 9 и считывается регистрирующим прибором 10.

Разрешающая способность магнитного масс-спектрометра

b1 b2 (b3)

где b1 — ширина щели на выходе из источника; b2 — ширина щели перед коллектором ионов; (b3) — суммарное расширение ионного пучка в плоскости щели b2 в результате аббераций.

Перед началом испытаний масс-спектрометрические течеискатели градуируют с помощью диффузионной гелиевой течи типа «Гелит». Калибровочная течь, рис. 5, представляет собой стеклянный баллон 1, заполненный гелием при давлении 1,03 105 Па. В баллон впаяна через переход 2 кварцевая трубка 3. Гелий диффундирует через плавленый кварц. В результате градуировки опреде-

искателя при измерении гелиевой течи, мВ; ф — сигнал течеискателя, обусловленный фоновым гелием, мВ.

Предельные возможности течеискателя характеризуются его пороговой чувствительностью, т. е. минимальным потоком пробно-

где ( )ф — минимальная амплитуда флюктуации фонового сигнала, мВ.

Вакуумные системы и отдельные элементы испытывают по одной из трех схем, показанных на рис. 6, в зависимости от суммарного газового потока Q , найденного предварительно расчетным либо экспериментальным путем.

28