Московский Инженерно-Физический Институт
(Государственный Университет)
Кафедра №10
Курсовая работа по курсу
«Введение в технику физического эксперимента»
Выполнили студенты гр. Ф5-03:
Фролов А. С.
Фролов И. С.
Царьков С.Е.
Принял: Иванов В. П.
Подпись:
Дата:
Москва 2003
Условие задачи.
В камере лазерного источника ионов, изображённого на рисунке, поддерживается давление p 1. Образующиеся ионы через отверстие d диафрагмы поступают в камеру анализатора времяпролётного масс-спектрометра, давление в котором p 2. Частота следования лазерных импульсов – 100 Гц. Диаметр кратера – 1 мкм. Глубина кратера от одного импульса – 2 мкм. В веществе образца растворено 10% газа от объёма.
Оснастить устройство необходимым вакуумным оборудованием и определить время откачки устройства до рабочих давлений, если поток натекания газа в камеру источника через шлюзовую камеру составляет Q.
Параметры установки:
p 1 = 10-3 Па; p 2 = 10-7 мм рт. ст.; d = 1 мм; Q = 10-5 м3*Па/с. Материал образца – медь.
Расчёт вакуумной системы
Определим режим течения газа через отверстие. Для этого оценим число Кнудсена.
Kn = l/Lэф
Kn = 6.7*10-3 / p * d = 6.7*10-3 / (10-3 * 10-3) = 6.7*10-3 >> 1
Согласно оценке числа Кнудсена, делаем вывод, что реализуется молекулярный режим течения. Для молекулярного режима течения имеем следующую проводимость круглого отверстия:
U = 91 * d 2 = 91*10-6 м3/с
Поток через отверстие:
Q отв = U * p 1 = 9.1*10-8
Рассчитаем поток газа из образца.
r = 8,93*103 кг/м3
m = 63,5 г/моль
Объём, приходящийся одну молекулу в образце:
V0 = m / (r * NA) = 63.5*10-3 / (8.93*103 * 6.02*1023) = 1.18*10-29 м3
Количество молекул газа, вылетающих за один импульс:
Nг = 0.1 * p * dкр * hкр / (4 * V0) = 1.33*1010
Т. к. частота импульсов n = 100 Гц => количество молекул газа, вылетающих за секунду
qобр = Nг * n = 1.33*1012 c-1
Применим основное уравнение молекулярно-кинетической теории, для единичного объёма:
Q обр = Nг * k * T = 1,33*1012 * 1,38*10-23 * 300 = 2,76 * 10-9 м3*Па/с
Из выше посчитанного делаем вывод:
Q отв << Q
Q обр << Q
Отсюда следует, что:
Натечка в камеру источника: Q 1 = Q + Q обр – Q отв » Q = 10-5 м3*Па/с
Натечка в камеру анализатора: Q 2 = Q отв = 9,1*10-8 м3*Па/с
Выбор высоковакуумного насоса
Выберем насос для камеры источника
Примем коэффициент использования насоса равным 0,25
K н = S эф / S н = 0,25
Оценим эффективную скорость откачки:
S эф = Q / p 1 = 10-5 / 10-3 = 10-2
Требуемая скорость откачки насоса:
S н = S эф / K н = 10-2 / 0,25 = 4*10-2
По требуемой скорости откачки подходит паромасляный насос НВО–40М со следующими параметрами
Номинальная скорость откачки 4*10-2 м3/с
Предельное давление 7*10-4 Па
Наибольшее выпускное давление 40 Па
Диаметр впускного патрубка 62 мм
Выберем насос для камеры анализатора
Примем коэффициент использования насоса равным 0,35
K н = S эф / S н = 0,35
Оценим эффективную скорость откачки:
S эф = Q / p 1 = 9,1*10-8 / 1,33*10-5 = 6,8*10-3
Требуемая скорость откачки насоса:
S н = S эф / K н = 6,8*10-3 / 0,35 = 1,9*10-2
По требуемой скорости откачки подходит магниторазрядный насос НМД-0,025 со следующими параметрами:
Номинальная скорость откачки 0,022 м3/с
Предельное давление 7*10-8 Па
Наибольшее давление запуска 1 Па
Диаметр впускного патрубка 100 мм
В качестве датчиков РА1 и РА2 выбираем ионизационный преобразователь ПМИ-2
Расчёт трубопровода
1/ U = 1/ U тр + 1/ U л + 1/ U в
Проводимость трубы круглого сечения для молекулярного режима течения:
U = 121 * d 3 / l
Проводимость вентиля:
U в = 9,1 * d у2
где d у = 1,5 * d в.
Проводимость ловушки:
U л = 3,16 * 10-3 * p d л2 / 4
Формула для проверки коэффициента использования насоса:
K н = U / (U + Sн)
Расчёт трубопровода для камеры источника
Выбираем диаметр ловушки 62 мм, тогда согласно формуле для проводимости ловушки U л = 9,5*10-2 м3/с.
Выбираем диаметр вентиля 40 мм, тогда согласно формуле для проводимости вентиля U в = 3,3*10-2 м3/с.
Тогда из формулы для общей проводимости системы получаем U тр = 2,8*10-2 м3/с. Примем диаметр трубы 40 мм. Далее по формуле для проводимости трубы круглого сечения находим длину трубопровода. l = 277 мм. Принимаем длину трубопровода 300 мм. В результате проверки получаем коэффициент использования насоса 0,3. Расчетное значение получилось близким к оптимальному коэффициенту использования насоса.
Расчёт трубопровода для камеры анализатора
Выбираем диаметр вентиля 40 мм, тогда U в = 3,3*10-2 м3/с.
Тогда из формулы для общей проводимости системы получаем U тр = 3,6*10-2 м3/с. Примем диаметр трубы 40 мм. Далее по формуле для проводимости трубы круглого сечения находим длину трубопровода. l = 400 мм. В результате проверки получаем коэффициент использования насоса 0,35. Расчётное значение совпало с выбранным.
Расчёт форвакуумной части.
В качестве насоса предварительного разряжения выбираем насос ЗВНР‑1Д, который будет использоваться одновременно для обеспечения работы магниторазрядного насоса и создания первичного разряжения в камерах для запуска высоковакуумных насосов. Рабочие параметры насоса ЗВНР‑1Д:
диапазон рабочих давлений 4*10-1… 105 Па
предельное давление 10-1 Па
быстрота откачки 10-3 м3/с
Определим режим течения для давления, равного наибольшему выпускному давлению насоса НВО-40М. Для d = 10 мм число Кнудсена:
Kn = 6.7*10-3 / p * d = 1,7*10-2 > 5*10-3
реализуется вязкостно-молекулярный режим течения газа.
Проводимость торубопровода при этом режиме течения определяется по формуле:
U = U в + 0,9* U м
где: U в = 1.36*103 * d 4 * p ср / l, U м = 121 * d 3 / l
Проводимость вентеля определяется по формуле:
U = U м + (U в - U м) * (p ср - p м) / (p в - p м)
где: U в = 1.36*103 * d у4 * p ср / l эф, U м = 9,1 * d у3, d у = 1.5* d, l эф = 3* d у, p в = 1,33 / d у, p м = 0,02 * d.
Выбираем трубопровод d = 10 мм, l = 600 мм, тогда его проводимость:
U = U в + 0,9* U м = 6,3*10-4 м3/с
Выбираем вентиль d у = 1.5* d = 15 мм, l эф = 3* d у, тогда его проводимость:
U = U м + (U в - U м) * (p ср - p м) / (p в - p м) = 5,8*10-3 м3/с
Тогда полная проводимость участка U = 5,7*10-4 м3/с.
Определим коэффициент использования насоса:
K н = U / (U + S н) = 0,36
Минимальное давление для запуска насоса НМД-0,025:
p = p пр + Q / K н * S н = 0,1 < 1 Па,
что обеспечивает предельное давление запуска. В качестве датчиков давления используем термопарную лампу ПМТ-4М, и для обеспечения условия безмаслянности первичного вакуума, обязательного для обеспечения стабильной работы магниторазрядного насоса, поставим ловушку шевронного типа.
Расчёт форбаллона
Выбираем время работы с форбаллоном t = 0,5 часа. Тогда требуемый объём форбаллона определяется из следующей формулы:
Q * t = V ф * (p к – p н)
где: p к = 0,3 * p в = 12 Па, p н = p + Q / K н * S н = 0,13 Па
Отсюда:
V ф = 10-5 * 1800 / (12 – 0,13) = 1,5*10-3 м3 = 1,5 л
Схема установки
