Misure di calibrazione e di tempo di evacuazione per un sistema da vuoto

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1 Misure di calibrazione e di tempo di evacuazione per un sistema da vuoto E. Bagli,2, L.Bandiera and A.Pesce Dipartimento di Fisica, Universit degli Studi di Ferrara 2 INFN Sezione di Ferrara March 7, 2009 Introduzione Sono state effettuate misure di calibrazione e di tempo di evacuazione della camera di Fig.; i dati estrapolati sono stati confrontati con stime teoriche calcolate in precedenza. Il lavoro é stato svolto in tre fasi:. Calcolo di valori attesi per P ultimate e Q max sostenibili dal sistema (errore 0%) 2. Test di perdita della camera ( leak test ) mediante l utilizzo di un apposito cerca fughe ( leak detector ) 3. Estrapolazione valore sperimentale del tempo di evacuazione della camera e confronto con i valori attesi Scopo di questo esperimento è prevedere le condizioni di vuoto raggiungibili dal sistema e verificarle sperimentalmente, al fine di utilizzare al suo interno un cannoncino elettronico, operazione che richiede una pressione all interno della camera di P 0 6 mbar Pfeiffer PKR 26 misuratore da vuoto full-range tarato in mbar, costituito da un misuratore Penning e uno Pirani, per la misurazione alle basse e alle alte pressioni (alto e basso vuoto), rispettivamente. Pfeiffer TPR 28 misuratore da vuoto di tipo Pirani, per la verifica esclusiva del prevuoto. CH camera cilindrica di acciaio di diametro D = 33cm e lunghezza L = 70cm. V N C valvola manuale conduttanza cilindrica di lunghezza L = 5cm e diametro D = 25cm C A DN40KF conduttanza cilindrica di lunghezza L = 50cm e diametro D = 4cm C B DN6KF conduttanza cilindrica di lunghezza L = 0cm e diametro D =.6cm

2 Figure : Sistema da vuoto usato per le misure del tempo di evacuazione e di calibrazione NV6 valvola automatica pneumatica C V = 4.0l/s conduttanza della valvola NV6 C T DN25KT conduttanza a T con bracci di lunghezza L = 7cm e diametro D = 2.5cm TURBOVAC MAG W300 pompa turbo con veloità di pompaggio in aria ( N 2 ) S = 00l/s XDS0 pompa rotativa di prevuoto con velocità di pompaggio in aria S = 9.3m 3 /h = 2.6l/s Misurazione della P ultimate e della Q max La pressione limite P ultimate é il vuoto più spinto sostenibile dalla camera e si calcola: P ultimate = Q () Q è la portata, ovvero l energia per un unità di tempo [E/t]; in condizioni stazionarie (P V =costante) la portata si conserva. è la velocità di pompaggio in uscita dalla camera, misurata in [l/s]. Conoscendo il valore di q (portata per unità di superficie) e della superficie del cilindro è possibile ottenere la portata Q. Nel nostro caso abbiamo scelto il valore q 0 = W/m 2, che corrisponde alla portata per unità di area dopo 0 ore di outgasing, per un acciaio senza stagno, materiale costituente la nostra camera. A partire da questo si ottiene: 2

3 Q = q 0 S = q 0 πd(d/2 + L) = W (2) Per calcolare, invece, la possiamo utilizzare la seguente equazione maestra: = C S UHV (3) Il valore della conduttanza C è stata calcolata utilizzando la formula per un tubo di lunghezza infinita in aria a 20 C (che rispetta la stima al 0% di errore): C = 2. D3 [cgs] (4) L da cui risulta C = l/s. Sapendo inoltre dalle specifiche della pompa che S UHV =. 0 3 l/s, troviamo = l/s. A questo punto ricaviamo la pressione limite P u ltimate = mbar. Vediamo quindi che la nostra richiesta è rispettata. Figure 2: Velocità di pompaggio della TURBOVAC MAG W 300 C in funzione della pressione in ingresso É facile, ora, ricavare Q max : dal grafico di Fig.2 osserviamo che per un certo intervallo di pressioni la velocità di pompaggio S UHV rimane costante. Per stimare la portata massima basta prendere il valore massimo della pressione in tale intervallo P inlet max = 0 2 mbar e calcolare: Poichè la portata si conserva si ha: Q max = P inletmaxs UHV =.W (5) Q max = P outletmaxs outlet (6) dove P outlet max = 2mbar è la pressione massima sostenibile all uscita della pompa e S outlet è la velocità di pompaggio all uscita. Da (6) ricaviamo: 3

4 S outlet = 5.5l/s (7) Calcoliamo ora la conduttanza C 2 data dal contributo dalle varie conduttanze C A, C B, C V e C T poste in serie: C 2 = C A C B C V C T (8) dove C A = 5.5l/s, C B = 5.0l/s, C T = 3.5l/s sono state calcolate tramite (4) (nel caso di C T la lunghezza L del tubo è uguale alla somma dei due bracci). C V = 4.0l/s, invece, è dato dalle specifiche tecniche della valvola NW6. In tal modo la conduttanza totale risulta C 2 = 0.l/s. A questo punto possiamo calcolare la velocitá di pompaggio in entrata alla pompa di prevuoto XDS0 (S P V ), utilizzando la formula maestra inversa: = (9) S P V S outlet C 2 Da qui otteniamo S P V = 5.8l/s. Confrontando tale risultato col valore dato dalle caratteristiche della pompa di prevuoto, S P V = 2.6l/s, notiamo che non é possibile con tale pompa supportare la portata massima precedentemente calcolata Q max =.W, a meno di non variare la conduttanza C 2. 2 Test di perdita Per condurre il test di perdita, si é inizialmente sostituita a V N un sistema di due valvole, una da vuoto e una valvola di perdita V LC ( leak valve ), in quanto la sola valvola di perdita non garantiva la tenuta metallica del sistema. Sono stati poi calibrati i due misuratori da vuoto (Pfeiffer PKR26 e TPR28) in aria, impostando tramite un calcolatore elettronico i due canali (CH e CH6) di presa dati a una pressione P 000mbar. A questo punto la leak valve è stata collegata ad un leak detector, un cerca fughe, costituito da una pompa a membrana, una pompa turbo e uno spettrometro di massa impostato sulla misurazione dell elio (He). Di seguito si procede nella chiusura della V LC e sparando con apposita pistola a pressione elio sulla valvola, dal basso verso l alto, essendo l elio volatile, si controlla la variazione della portata di elio sul misuratore di flusso del cerca fughe: non essendovi variazioni significative nella portata, non sono presenti perdite. Per verificare il corretto funzionamento del cerca fughe è stata poi indotta una perdita aprendo V LC ed è stata verificata la presenza della perdita stessa con lo spettrometro di massa del cerca fughe. É stata poi tolta la valvola per test di perdita dal cerca fughe per sostituirla con la valvola V N ed é stata controllata la sua tenuta tramite l uso di un apposito soffietto. Vista la corretta tenuta metallica del sistema, esso é stato scollegato dal cerca fughe. 3 Misura del tempo di evacuazione La pressione di un gas, durante l evacuazione di un volume, ha un andamento esponenziale del tipo: 4

5 P (m b a r) T im e (s ) Figure 3: Andamento della pressione in funzione del tempo all interno della camera durante l evacuazione effettuata mediante l utilizzo della pompa di prevuoto P = P 0 e t/τ (0) dove P 0 é la pressione iniziale e τ la costante di tempo data dal rapporto fra il volume della camera e la velocitá di pompaggio all uscita della stessa (τ = V/S). Mediante l utilizzo della pompa rotativa è stata evacuata la camera, che si trovava a pressione atomsferica (P 000mbar): dall analisi dei dati sperimentali è stato stimato un tempo di evacuazione t e 600s, dopo i quali si è raggiunta una pressione limite di 0.02mbar. Osservando il grafico di Fig.3, si nota l andamento esponenziale della curva di pressione, come previsto. Interpolando i dati, si ottiene una costante di tempo τ fit 3.8. Per validare il valore di t e ottenuto sperimentalmente, lo si pone a confronto con valori teorici aspettati estrapolati dal grafico di Fig.5. Per una stima approssimata del tempo di evacuazione non é necessario conoscere ogni singola conduttanza fra la pompa di prevuoto e la camera: abbiamo perciò trascurato alcuni elementi del sistema. In primo luogo non si tiene conto della presenza della pompa turbo, della conduttanza C che lo collega alla camera, e delle conduttanze C B e C T : ne consegue che si considera solo C A come unica conduttanza tra la camera e la rotativa. Non é, invece, possibile trascurare la conduttanza dovuta alla valvola NW6 tra la pompa turbo e quella di prevuoto, in quanto C V = 4.0l/s é dello stesso ordine di grandezza della velocitá di pompaggio S P = 2.6l/s della pompa di prevuoto XDS0. A partire dalla relazione espressa nella formula maestra (3) é possibile calcolare = S P C V 2.6l/s () 5

6 Figure 4: Tempo richiesto per portare la pressione da 760 Torr a 0.76 Torr in un volume V (l), connesso tramite una conduttanza di diametro D(cm) e lunghezza L(cm) ad una pompa con velocità di pompaggio S p (l/s) Utilizzando il valore ottenuto di insieme al valore di D 4 /L per la conduttanza C A é possibile estrapolare graficamente un valore di t e /V per le nostre stime. Poiché D 4 /L = 5.2cm 3, si ottiene t e /V 6s/l. É possibile quindi stimare il tempo di evacuazione necessario in t e 360s, poichè per la camera V 60l. Il valore sperimentale ottenuto dall analisi dei dati è di t e 600s, dello stesso ordine di grandezza di quello stimato: la differenza fra i due valori è dovuta alle diverse semplificazioni effettuate nella stima teorica, all interpolazione grafica qualitativa precedentemente effettuata e al diverso range di pressione fra la stima teorica e il dato sperimentale. É possibile inoltre calcolare un valore teorico per la costante di tempo τ = V/ = 37.5s e confrontarlo con il valore τ fit = 3.8s estrapolato durante l analisi dati dal grafico di Fig.(3): anche in questo caso i due valori hanno lo stesso ordine di grandezza. A questo punto si è proceduto con l accensione della pompa turbo per continuare l evacuazione della camera fino ad un vuoto dell ordine di 0 7 mbar, utile per i nostri scopi. Stabilizzatasi la pressione all interno della camera, il nostro sistema ha raggiunto una P utlimate mbar in un tempo t e 40min. 4 Conclusioni I dati sperimentali ottenuti per il tempo di evacuazione e per la costante di tempo sono stati confrontati con i valori attesi: il confronto ha fornito risultati coerenti entro l errore atteso ( 0%). La camera ha quindi raggiunto un livello di vuoto tale da consentire l utilizzo del cannoncino elettronico al suo interno. 6

7 P (m b a r) T im e (s ) Figure 5: Andamento della pressione in funzione del tempo all interno della camera, durante l evacuazione effettuata mediante l utilizzo della pompa turbo: da evidenziare il fatto che l accensione della pompa turbo non coincide con l inizio del decadimento esponenziale della pressione nella camera, poichè essa deve prima arrivare a regime 7