Zjišťování netěsností vakuového systému • skutečná netěsnost - modře • virtuální netěsnost(desorpce) - červeně t Vakuová fyzika 1 1/45 Typická místa netěsností • v místech svarů • v místech kovových vývodů přes sklo • v elektrických a optických průchodkách • ve ventilech, ve spojích (KF, ISO - K, CF,...) • u kovových částí - pórovitost materiálu Netěsnost se lépe hledá u skleněných aparatur. Dnes je většina aparatur kovových. Problém hledání netěsností ulehčuje prověrka jednotlivých dílů před montáží. Hledače netěsností Zpravidla využívají měření parciálních tlaků zkušebních plynů Zkušební plyn: • plyn málo obsažený v atmosféře • co nejmenší molekulová hmotnost (snadno proniká netěsností) Nejčastěji se používá He, H2. Hledače: • vodíkový • halogenový • heliový přesnost určení netěsnosti má vliv: množství zkušebního plynu přivedeného do systému poměr čerpací rychlosti systému a jeho objemu citlivost hledače netěsností vzájemná poloha netěsnosti a hledače □ t3 Závislost na poměru čerpací rychlosti systému a jeho objemu Proud plynu netěsností do aparatury za čas dt je dán Ijydt, množství odčerpaného plynu pSdt. Pak změna tlaku zkušebního plynu je dána rovnicí Vdp = (In — Sp)dt Vdp In — Sp = dt V --—Iti(In — Sp) = t + konst V konst —--—Iti(In) In — Sp S H—--) = - -t j-n v In — Sp In In, — e v1 p = S 1 - e~ v* Jestliže v čase t\ přerušíme přítok zkušebního plynu začne tlak klesat p = ^[l_e- e-S □ - = Q) J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 1 7/45 oha hledače a netěsnosti Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vodíkový hledač netěsností detektor: ionizační manometr s paladiovou přepážkou (1100 K), hmotnostní spektrometr, elektronické čidlo zkušební plyn: H2 pracovní tlak: 10~6 — 0,1 Pa pro ionizační manometr s paladiovou přepážkou minimální netěsnost: 10~8 Pam3s_1 Vodíkový hledač netěsností kowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Halogenový hledač netěsností • platinový válec (1200 K) - emituje kladné ionty • zvýšení emise v přítomnosti Cl • zkušební plyn: freon • pracovní tlak: 10"4 - 105 Pa • minimální netěsnost: 10~8 Pam3s_1 • může pracovat i metodou přetlaku □ t3 Halogenový hledač netěsností J. Groszkowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Vakuová fyzika 1 □ S 12 / 45 Heliový hledač netěsností hmotnostní spektrometr zkušební plyn: He pracovní tlak: < 10~2 Pa minimální netěsnost: 10~13 Pam3s může pracovat i metodou přetlaku □ t3 Heliový hledač netěsností 3 1 1 firemní materiály firmy Pfeiffer □ 13 Vakuová fyzika 1 = 5 q,o Heliový hledač netěsností Malý hmotnostní spektrometr jako detektor He 1 Ion source flange 2 Cathode (2 cathodes, lr + Y203) 3 Anode 4 Shielding of the ion source with discharge orifice 5 Extractor 6 Ion traces lor M > 4 7 Total pressure electrode 8 Ion traces for M = 4 9 Intermediate orifice plate 10 Magnetic field 11 Suppressor 12 Shielding of the ion trap 13 Ion trap 14 Flange for ion trap with preamplifier firemní materiály firmy Pfeiffer □ S1 Heliový hledač netěsností s přepážkou přepážka z SÍO2 7 /im propouští jen He + Penningův manometr jednoduchá konstrukce detekční limit 5 x 10~8 Pam3/s vysoký vstupní tlak až 200 hPa A PASSION FOR PERFECTION © Pfeiffer Vacuum 2012 • Market Management R&D • Andreas Schopphoff • 2012-04 ■ 5 Kalibrovaná netěsnost Bývá součástí He hledačů netěsností, slouží ke kalibraci detektoru He. • vakuový prvek s definovanou vodivostí • úzká skleněná kapilára • difúzni netěsnost - křemenná přepážka - difúze He • při proudu plynu 10~8 Pam3s_1 a tlaku testovacího plynu v zásobníku 0,2 MPa, nastane pokles proudu plynu o 10% za 10 let Vakuová fyzika 1 19 / 45 12 1 P.Lukáč, V.Martišovitš: Netesnosti vákuových systémov, ALFA, 1980 Vakuová fyzika 1 20 / 45 Jiné metody hledání netěsností manometr diferenciální manometr bublinky ve vodě mýdlové bubliny u skleněných aparatur - Ruhmkorffův induktor, nebo Tesl transformátor Hledání netěsností pomocí manometru Hledání netěsností pomocí diferenciálního manometru kowski: Technika vysokého vakua, SNTL, Praha 1981 Manometr, diferenciální manometr ionizační, nebo odporový manometr zkušební plyn - CO2, H2, aceton, líh pracovní tlak - podle použitého manometru minimální netěsnost pro diferenciální zapojení ionizačních manometrů ÍO"10 PamV1 Vakuová fyzika 1 24 / 45 R u h m kor f f ú v induktor a ľeslúv transformátor princip - výboj v plynech pracovní tlak 1-100 Pa vhodná metoda pro skleněné aparatury Ruhmkorffův induktor - nízká frekvence(~ 101Hz), vn transformátor(železné jádro) Teslův transformátor - vysoká frekvence(~ 105 Hz), vn transformátor se vzduchovým jádrem Metoda bublinek, min.netěsnost D = 0,5 mm, t = 30 s Vakuová fyzika 1 □ S1 26 / 45 Odpaření vody z netěsnosti s délkou 1 cm 20 40 60 80 [X] P.Lukáč, V.Martišovitš: Netesnosti vakuových systémov, ALFA, 1980 Tabulka: Citlivost metod hledání netěsností Metoda tlak [Pa] min. netěsnost [Pam3s x] Teslův transformátor 1 - 100 10-3 - 10-4 bublinky ve vodě 2 x 105 10-7 4 x 105 10"8 9 x 105 10"9 halogenový hledač 2 x 105 3 x 10-8 4 x 105 7 x 10-9 6 x 105 3 x 10-9 He hledač 2 x 105 5 x 10-9 Tabulka: Citlivost metod hledání netěsností - podtlak Metoda tlak [Pa] min. netěš. [Pam3s x] Odporový manometr 0,1 - 100 10~6 ionizační manometr 10"6 - 0,1 10"7 ionizační manometr dif.zap. 10~6 - 0,1 10-io ionizační manometr 10~6 - 0,1 10"8 s paladiovou membránou halogenový hledač 10~4 - 105 10"8 He hledač < 10-2 IQ"13 Vakuová fyzika 1 29/45 Tabulka: Kriteria těsností Název kriteria [Panv vodotěsnost 10" -3 parotěsnost 10" -4 těsnost pro bakterie 10" -5 těsnost pro ropné produkty 10" -6 těsnost pro viry 10" -7 plynotěsnost 10" -8 1 Pam3s_1 = 10 mbarls"1 ~ 43 gh_1 pro vzduch, 20 °C Vakuová fyzika 1 30/45 Tabulka: Kriteria těsností Název kriteria podle objektu [Pam3s x] těsnost nadržia potrubí 10"1 - 10"3 těsnost výměníků tepla ÍO"4 těsnost objektů pro zkapal. plyny 10"6 těsnost elektronických součástek 10-io těsnost pouzder baterie kardiostimulátoru min. ÍO"10 10"10 Partes"1 ~ 3,8 x 10"5g = 38 ng za rok pro vzduch, 20 °C Vakuová fyzika 1 31/45 Přehled metod Určení místa netěsnosti • vakuový test • čichací test Integrální průmyslové testy • integrální vakuový test • vakuový bombový test • integrální test uzavřeného systému • čichací test při atmosférickém tlaku Integral vacuum test Vacuum test: Spraying test Vacuum test: Bombing test Sniffing test Integral test of enclosed parts under vacuum Sniffing test: Integral test at atmospheric pressure firemní materiály firmy Pfeiffer Vakuová fyzika 1 33 / 45 Další metody hledání netěsností v prům ultrazvuk infračervené záření UV barviva Cvičeni Nabitá částice se pohybuje v magnetickém poli. Magnetické poleje kolmé ke směru pohybu. Nabitá částice byla urychlena napětím 1000 V, mag. indukce je B = 0,02 T. Spočítejte poloměr dráhy pro elektron a pro Ar+ (M0 = 40). -mov2 = eU =4> v = m0v2 -= evJJ r elektron: ri = 5,3 mm Ar+ : r2 = 1,44 m 47) Jak velké urychlovací napětí potřebujeme pro měření argonu a vodíku H2 v statickém hmotnostním spektrometru s kruhovými drahami? Pokud poloměr dráhy je 10 mm, magnetické pole B= 0,4 T, M Ar = 40; MH2 = 2; e = 1, 602.10"19C; mu = 1, 660.10"27%. 1 2 TT -mov — eu H2: Ui = 386 V Ar: U2 = 19,3 V UíqV r = evB Vakuová fyzika 1 □ 36 / 45 48) Jaká bude doba průletu iontu Ar+ a N+ v průletovém spektrometru TOF? Délka TOF L = 1 m, urychlovací napětí 40 V. 1 2 rj —mov — eu v = N: ti = 4,2 x 10"5 s Ar: t2 = 7,1 x 1(T5 s L t = - v 2e m0 U Vakuová fyzika 1 37 / 45 49) Jaký potřebujeme získat tlak v spektrometru TOF v příkladu 48, a střední volná dráha částic byla větší než L? Efektivní průměr částic d = 3,7xl(T10m. p = riKl ; A = —^=- = p = 6,8 x 10"3 Pa 50) Z rovnice pro dráhu iontů v Omegatronu odvoďte vztah pro poloměr dráhy iontu s cyklotronovou frekvencí. r = —-rsm-cj - uc)t) B\uj — ujc) 2 l^o lim r = ——r ÍJ^ÍaJc 2 B Vakuová fyzika 1 39 / 45 51) Aparatura má objem V = 1 L, je v ní tlak 1 Pa a netěsnost kterou natéká vzduch proudem I = 10"6 mbarL/s. Jak se změní tlak v komoře za 24 hodin? Vakuová fyzika 1 □ S 40 / 45 52) Kalibrovaná netěsnost má objem 1 L počáteční tlak 2 x 105 Pa a proud plynu I = 10~7 Pam3s_1. Za jak dlouho se v ní sníží tlak o 5 %? 53) Mýdlová bublina, která detekuje vakuovou netěsnost vznikne za 4 s a má průměr 2 mm. Určete proud plynu netěsností a vakuovou vodivost netěsnosti. Vakuová fyzika 1 42 / 45 Tlak v aparatuře v čase O s je 6,3xl0~2 mbar, v čase 530 minut je 8,2xl0~2 mbar. Aparatura má tvar koule s poloměrem 40 cm. Určete proud plynu netěsností? Vakuová fyzika 1 □ S1 43 / 45 Máme netěsnost o velikosti 1 x 10 10 Pam3s 1. Jakému množství vzduchu o teplotě 20 °C v [g] to odpovídá za rok? Ve vakuové komoře vznikne při montáži dutina s objemem 1 cm , která je s komorou spojena tenkou kapilárou s vakuovou vodivostí 10~6 Ls_1. Za jak dlouho tuto dutinu vyčerpáme z tlaku 105 Pa na tlak 1 Pa? Mezní tlak aparatury je