Импульсный напуск газа

С.В. Полосаткин ТПЭ
Вакуумная техника
Полосаткин Сергей Викторович, тел.47-73
пятница, 10.45 – 12.20
http://www.inp.nsk.su/students/plasma/sk/tpe.ru.shtml
Вакуумные измерения
Сверхвысокий
вакуум
Высокий вакуум
Низкий вакуум
Деформационные манометры
Пьезорезистивные манометры
Емкостные манометры
Термопарные
Теплоэлектрические
Ионизационные
Магниторазрядные
Масс-спектрометр
10-10
10-8
10-6
10-4
10-2
P (Па)
100
1+2
10+4
Деформационные мановакууметры
(трубка Бурдона)
Абсолютные или относительные
1 – 105 Па
Не зависят от сорта газа
Пьезорезистивные мановакууметры
APLISENS PC-28
Абсолютные или относительные
0-2,5*103 … 0-105 Па
Линейная зависимость от давления
Погрешность 0,4 – 1%
Не зависят от сорта газа
Емкостной манометр
Баратрон (MKS instruments)
10-4 – 105 Па
Точность 0,12 %
10-9 кг/см2 - 1 мкг/см2 ~ 10 нм ~ 30 монослоев
Тепловые манометры
Разные газы имеют разную градуировку (теплопроводность зависит
от сорта газа)
0.1 – 105 Па
MicroPirani (MKS inst. 925) 10-3 – 105 Па
Ионизационные манометры
Лампа Байарда-Альперта
Ic=S*Ie*n
S – чувствительность ~10-3 А/Па (ПМИ-27)
Измеряемый сигнал зависит от сорта газа
Можно проводить быстрые измерения
Магниторазрядные манометры
Разряд с холодным катодом
Напряжение 1-4 кВ
Ток разряда пропорционален давлению (до 10-10 Па)
Широкодиапазонные вакууметры
Совмещают несколько ламп
Диапазон до 10-10 -105 Па
Выходное напряжение пропорционально
логарифму давления
Pfieffer PKR 251
PПа  10
1.67U  В  9.33
Поиск течей
Методы течеискания
1. Компрессионный -нагнетание воздуха при Р>Ратм
2. Люминесцентный
3. Искровой
4. Манометрический (контролирует проникновение по манометру при проникновении
пробного вещества /спирт, бензин, вода, ацетон/ )  Для форвакуума
5. Галогенный
6. Масс-спектрометрический
Гелиевый течеискатель
Гелий:
1.
Низкая концентрация в воздухе (0,0005%)
2.
Отсутствуют другие вещества с массой 4
3.
Высокая проницаемость и большая скорость
4.
Безопасность
PICO vacuum leak detector
(MKS instruments) – 7 кг
Масс-спектрометр
(A)
RELATIVE INTENSITY
Масс-спектрометр
Непрогревная камера без течей
H2 O
N2,, CO
H2
CO2
(B)
RELATIVE INTENSITY
MASS NUMBER (A.M.U.)
N2
Камера с течью
H2 O
O2
H2
CO2
MASS NUMBER (A.M.U.)
Масс-спектры
1.2
x 10
-8
1
Низкий вакуум
0.8
0.6
0.4
0.2
0
0
1
x 10
5
10
15
20
25
30
35
40
-9
0.8
Высокий вакуум
0.6
0.4
0.2
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
С.В. Полосаткин ТПЭ
Системы напуска газа
Полосаткин Сергей Викторович, тел.47-73
пятница, 10.45 – 12.20
http://www.inp.nsk.su/students/plasma/sk/tpe.ru.shtml
Системы напуска газа
Обеспечивает напуск газа для создания плазмы с
требуемой плотностью
-в закрытом состоянии не должна нарушать вакуум
-обеспечивать изменение давления в широком диапазоне
(несколько порядков)
Системы стационарного и импульсного напуска
Стационарный напуск (натекатели)
Механические
Игольчатый
Щелевой
Условное отверстие 1,2 мм – мин.поток 3·10-4 л·Па/c
Недостатки: сложность изготовления, нестабильность, люфт
Стационарный напуск (натекатели)
Swagelok
Параметры:
Cv=0.004 – 0.15
D= 0.1 – 3 мм
D – эффективный диаметр отверстия
Cv – поток воды US галлоны/мин при перепаде давления 1 PSI
28
Q л / м ин  3273  Сv  pбар 
A T
A – молярная масса газа
Q л / мин  240  D
2
 мм
28
 pбар 
A T
Диффузионные натекатели
Избирательная проницаемость материалов для различных
газов
Водород – палладий, палладий-серебро
Кислород - серебро
Гелий – кварц, пирекс
Азот - железо
Селективный реверсируемый натекатель водорода
www.pulsetech.ru
Mass-flow controller
Контролируемый поток газа в камеру
Поток 0-10 ст.см3/мин
Mass-flow controller
Контроль концентрации газа
QТ
Натекатель
V
Объем
QТ
p
S
p1
Q
Трубопровод
Насос
p2
Vн
Контроль концентрации газа
Натекатель
Контроллер
QТ
V
Объем
QТ
p
S
p1
QT
Трубопровод
Насос
p2
Vн
Вакууметр
Контроль концентрации газа
Натекатель
Контроллер
QТ
V
Объем
QТ
p
S
p1
Вакууметр
Вентиль
Трубопровод
p2
Vн
Насос
Импульсный напуск газа
Импульсные клапаны:
-термодиффузионные
-электромагнитные
-электродинамические
-пьезоэлектрические
Импульсный напуск газа
термодиффузионные клапаны – на основе палладиевых
натекателей
Быстрый нагрев – до 1019 атомов водорода,
скорость нарастания 1 мс
Нагрев титанового порошка
Voronin A.V. and Hellblom K.G. 2001 Plasma Phys. and Controlled Fusion 43 (11) 1583
Импульсный напуск газа
Электродинамические клапаны t~10 мкс
Пьезоэлектрические клапаны 0,02 – 500 ст.см3/мин
Импульсный напуск газа
Электромагнитные клапаны
Параметры:
-ток открывания
-ток удержания
Деревянкин Г., Дудников В., Журавлев П. Электромагнитный затвор для импульсного
напуска газа. // ПТЭ— 1983— N.5.—С.168.
Импульсный напуск газа
Электромагнитные (соленоидальные) клапаны Predyne
время срабатывания 5-10 мс
Импульсный напуск газа (ГОЛ-3)
концентрация,
1014 атомов/cм3
1000
100
10
1
0.1
0
2
4
6
8
10 12
Расстояние до входной пробки, м
14
ге
н
е
р
а
то
р
п
у
ч
к
а
У
-2
п
л
а
з
м
а
л
е
н
то
ч
н
ы
й
д
и
о
д
го
ф
р
и
р
о
в
а
н
н
о
ес
ы
х
о
д
н
о
й
о
л
е
н
о
и
дв
м
а
гн
и
тн
о
е
п
о
л
е
у
з
е
л
концентрация,
1014 атомов/см3
40
30
553 см
20
1
10
4
2
3 304 см
0
0
200
400
600
800
время, мс
1000
1200
1400
Напуск газа (ГДЛ)
Напуск газа на ось – кварцевая трубка
Газовая коробка (gas box)
При диссоциации молекулы водорода – Франк-Кондоновские атомы
(E~2 эВ)
Системы распределения газа
Часть газовой системы нейтрального инжектора
(Swagelok)
Газовые шкафы
(Norcimbus)
Напуск газа (JET)
Gas Matrix P&ID
Peizo Valve
Peizo Valve Flow
Characteristics
Эффективность напуска
Для больших установок эффективный метод – пеллет-инжекция
Пеллет-инжекция
Водородные таблетки (пеллеты) замораживаются при T=4 К,
вырезаются и инжектируются в плазму
Vinj – до 5 км/с, 0,26 г/c
В.В.Поступаев. Работы по инжекции макрочастиц в плазму на установке ГОЛ-3
Инжекционный метод создания плазмы
•пеллет-инжектор разработан в СПбГПУ, изготовление ИЯФ и СПбГПУ;
• параметры инжектора ИТВ-7:
твердый водород (дейтерий),
диаметр 1 мм, скорость 10-100 м/с;
• основные технологическая проблема: точная синхронизация.
Схема инжектора ИТВ-7
Контрольные вопросы (вакуумная техника)
Обосновать применимость криосорбционного насоса на вашей
установке - дома
Задача в одно действие (расчет вакуумных схем) - на следующем
занятии
Правила работы со сжатыми газами
ПБ 03-576-03 - Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов,
работающих под давлением
!!! Не распространяются на:
сосуды вместимостью не более 25 л независимо от давления, используемые для научноэкспериментальных целей.