Vakuová fyzika a technika FJFI ČVUT v Praze Úloha:
#3 – Měření netěsností
Jméno:
Ondřej Finke
Kruh:
FE
Skupina:
5
Datum měření:
27.11.2015
Klasifikace:
1. Pracovní úkoly (a) Najděte netěsnosti na skleněné trubici pomocí vtahování výboje vakuové zkoušečky. (b) Ověřte změny zabarvení výboje ve skleněné trubici při ofukování netěsnosti heliem a při přikládání tamponu smočeného v lihu, isopropylalkoholu a acetonu k netěsnosti. (c) Ověřte, že přivedení hélia nebo par lihu, isopropylalkoholu a acetonu k netěsnosti (lehce pootovřený jehlový ventil) změní údaj tepelného vakuometru. Vysvětlete. (d) Ověřte funkci halogenového hledače netěsností přikládáním tamponu, navlhčeného perchlorethylenem k lehce otevřenému jehlovým ventilu. Vysvětlete. (e) Seznamte se s heliovým hledačem netěsností. Seznamte se s duplikátem analyzační komůrky. Zaznamenejte vakuové schéma heliového hledače netěsností podle skutečností. (f) Změřte indukci magnetického pole permanentního magnetu He – hledače. Z rozměrů uspořádání v komůrce a zjištěné hodnoty magnetického pole určete napěí, jimž musí být urychleny ionty helia, aby byl detekovaný jejich signál.
2. Teoretický úvod 2.1 Netěsnosti vakuových aparatur Opakováním měření tlaku poblíž mezní hodnoty aparatury můžeme zjistit jestli je naše aparatura netěsná. Je-li aparatura těsná, klesá s časem rychlost čerpání jelikož proces sorpce a desorpce se blíží své dynamické rovnováze. Máme-li ovšem netěsnou aparaturu, zůstává nám stále zdroj plynu v aparatuře. Hrubé netěsnosti lze odhalit i viditelně, případně pokryjeme-li podezřelé místo mýdlovou vodou, mohou bublinky vznikající v místa netěsnosti prozradit její přítomnost. Větší netěsnosti na skleněné aparatuře lze naleznout pomocí vysokofrekvenční vakuové zkoušečky. V místě netěsnosti se bude výboj vtahovat do aparatury. Na rozdílných vlastnostech různých plynů poté zakládají další metody hledání netěsností. Příkladem je vf-zkoušečka. Pomocí ní zapálím ve skleněné aparatuře doutnavý výboj (při vhodném tlaku kolem desítek Pa) a podezřelé místo ofukuji různými plyny, či potírám navlhčeným tamponem v různých kapalinách. Pokud se barva doutnavého výboje změní, vím, že je aparatura netěsná. Dalším využíváným jevem je rozdílnost vodivosti netěsností při práci s různými plyny. Halogenní hledač netěsností zase využívá vlivu přítomnosti halogenových prvků na ionizaci atamů alkalických kovů. Velmi důležitý systém na hledání netěsnotí je pak heliový hledač netěsností. Tento hledač tvoří samostatná vysokovakuová aparatura v jejíž analyzační komoře se ionizují atomy zbytkového plynu a ze vzniklých iontů se separují ionty helia. Množství iontů helia se poté měří. K jejich separaci se používá statického magnetického pole
-1-
2.2 Nabitá částice v homogenním magnetickém poli Částice, které se pohybuje v magnetickém poli je ovlivněna silou odpovídající, F=q ⃗v × ⃗ B
(1)
⃗ magnetická indukce. Při kolmosti obou vektorů vyskytujících se ve kde ⃗v je rychlost částice, B vektorovém součinu přejde velikost síly do tvaru, F=qvB
(2)
Tato síla bude zakřivovat dráhu náboje. Částice se pohybuje po kruhové trajektorii r. Na částici bude proto působit odstředivá síla se směrem do středu kružnice a velikosti, 2
mv (3) Fo = r Sily F a Fo jsou stejně velké a proto se rovnice (2) a (3) rovnají. Pokud je částice urychlena napětím U, získá energii o hodnotě qU. Tato energie se přemění na kinetickou energii, která splňuje qU =
mv 2 2
(4)
Ze vztahů (3) a (4) poté pouze vyjádříme napětí jako U=
qB2 r 2 2m
(5)
3. Postup měření 3.1 Použité přístroje a pomůcky Rotační olejová vývěva, Halogenová sonda, Piraniho měrka, Jehlový ventil, skleněná vakuová aparatura, heliový hledač netěsnotí. 3.2 Experimentální uspořádání
Obr. 1 – Aparatury pro měření netěsností vtahováním výboje (vlevo) a měření netěsností halogenového hledače (vpravo). -2-
3.3 Měření netěsností pomocí vtahování výboje Připravili jsme si aparaturu podle levého schématu na obrázku Obr. 1. Tu jsme poté pomocí ROV vyčerpali na nejnižší tlak, který byl netěsností omezen. Potom jsme zapnuli vysokofrekvenční vakuovou zkoušečku. Ta spojila výboj s naší vyčerpanou skleněnou trubicí. Pohybem zkoušečkou po skle jsme se snažili najít místo, kde se tento výboj výrazně zesílil. Na tomto místě se nacházela netěsnost. 3.4 Vliv natékání různých látek na barvu výboje Toto měření rovnou navazovalo na předchozí měření. Vysokofrekvenčním vakuovou zkoušečku jsme zapnuli dál od předtím nalezené netěsnosti tak, aby se v skleněné vyčerpané trubici objevil doutnavý výboj. K tomu jsme postupně překládali namočený tampony do lihu, acetonu, alkoholu a porchloretylenu. Sledovali jsme změnu barvy doutnavého výboje. 3.5 Hledání pomocí halogenového hledače Aparaturu jsme přestavěli podle pravého schématu na Obr. 2. Soustavu vyčerpáme na mezní tlak. Jehlovým ventilem následně nastavíme trochu vyšší tlak než je mezní. Zapneme halogenovou měrku a necháme ji ustálit. Tampon namočený do perchlorytelenu přikládáme k různým místům na aparatuře včetně otevřeného jehlového ventilu a sledujeme odezvu na halogenové měrce. 3.6 Měření piraniho měrkou Měření provádíme na stejné aparatuře jako v předchozím případě. Pomocí ROV opět vyčerpáme aparaturu na mezní tlak. Poté jsme pomocí jehlového ventilu nastavili tlak přibližně na 2 Pa. K jehlovému ventilu jsme postupně přikládali tampony namočené ve stejných chemikáliích jako v předchozích měřeních. Pozorovali jsme změny tlaků na piraniho měrce. 3.7 Héliový hledač netěsností
Obr. 2 – Schéma heliového hledače netěsností. A.K. – Analyzační komora Jelikož při našem měření hledač nefungoval. Seznámili jsme se s jeho principem. Schéma je k nalezení na obrázku Obr. 2. Pro náš výpočet jsme změřili průměr komory a velikost jejího -3-
magnetického pole.
4. Vypracování 4.1 Měření netěsností pomocí vtahování výboje S přiloženou vyskofrekvenční vakuovou zkoušečkou jsme nalezli netěsnost na zataveném konci skleněné trubice. 4.2 Vliv natékání různých látek na barvu výboje K nalezené netěsnosti jsme přikládali tampóny v namočených chemikáliích a do přiložené tabulky Tab. 1 jsme zanesli jakou barvu získal doutnavý výboj ve skleněné trubici. Plyn
Barva
Vzduch
Fialová
Líh s benzínem
Fialová
Aceton
Modrá
Alkohol
Modrá
Porchloretylen
Tyrkysová
Tab. 1 – Změna barvy výboje v závislosti na přiložené chemikálii 4.3 Hledání pomocí halogenového hledače Nárůst proudu jsme po přiložení pozorovali u jehlového ventilu ale také u levého těsnění. Největší netěsnost jsme ovšem pozorovali u pravého těsnění, kde nejvíc vystoupala ručička stupnici. Nárůst proudu byl způsoben zvýšenou emisí iontů alkalických kovů kvůli přítomnosti chloru z perchlorethylenu. 4.4 Měření piraniho měrkou Do tabulky Tab. 2 jsem zapsal jaké změny tlaků jsme pozorovali při jakých chemikáliích. Plyn
Změna tlaku
Líh s benzínem
Tlak v aparatuře stoupl minimálně
Isopropylalkohol
Tlak v aparatuře stoupl minimálně
Aceton
Tlak se zvětšil přibližně dvakrát tolik jako u lihu a isopropylalkoholu
Porchloretylen
Naprosto minimální zvětšení tlaku
Hélium
Tlak o něco menší než u acetonu Tab. 2 – Změny tlaků při měření piraniho měrkou
Zvětšení tlaku bylo podle mě způsobeno nárůstem tepelné vodivosti čerpaného plynu. Svůj vliv má jistě i změna rychlosti natékání čerpaného plynu. -4-
4.5 Héliový hledač netěsností Ze vztahu (5) vypočteme napětí U. Potřebné parametry k tomuto výpočtu jsem zanesl do tabulky Tab. 3. Veličina
Hodnota
r [cm]
4
B [mT]
140
q/m [C/kg] (pro He)
2.39 · 107
Tab. 3 – Hodnoty pro výpočet napětí v He hledači Po dosazení tedy získáme hodnotu napětí U = 374 V. Jak jsem již psal tak aparatura nefungovala. Proto jsme měření nemohli provést.
5. Diskuze 5.1 Vliv natékání různých látek na barvu výboje Při tomto měření by bylo vhodné pracovat za větší tmy v laboratoři. Změny barvy v doutnavém výboji jsou někdy velmi těžko pozorovatelné. Tma by zvětšila naše rozlišovací schopnostmi. 5.2 Měření piraniho měrkou Během měření jsme si nezaznamenávali přesné hodnoty tlaků. Kvůli tomu nyní přesně nevím o kolik se skutečně změnil tlak v aparatuře. Hodnota „trochu“ je z fyzikálního hlediska na nic. Víme jenom, jestli byla tlak jiný oproti ostatním látkám, které jsme při měření použili. Příště bych proto zaznamenával skutečné hodnoty tlaků v aparatuře, abychom získali více smysluplné výsledky.
6. Závěr Při měření vysokofrekvenční hledačkou jsme nalezli netěsnosti na zataveném konci skleněné trubičky. Při přikládání chemikálií se měnila barva doutnavého výboje, což byl další důkaz, že se do aparatury dostává plyn z vnějška. U halogenové hledačky jsme nalezli také netěsnost na aaparatuře a přikládáním chemikáliích se měnil proud na piraniho měrce a tedy i tlak v aparatuře. To je opět důkaz netěsnosti v soustavě.
7. Použitá literatura [1] KRÁL, Jaroslav. Cvičení z vakuové techniky. 2., přepracované vydání. V Praze: České vysoké učení technické, 2015, 60 stran. ISBN 978-80-01-05691-2. [2] MIKULČÁK, Jiří. Matematické, fyzikální a chemické tabulky a vzorce pro střední školy. 1. vyd. Praha: Prometheus, 2003, 276 s. ISBN 80-7196-264-3.
-5-
