Анализ остаточного газа в вакуумной системе детектора CMD-3

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Физический факультет

Кафедра общей физики

Бамбуца Эльфрида Евгеньевна

Курсовая работа на тему:

 «Анализ остаточного газа в вакуумной системе

 детектора CMD-3»

Молекулярный практикум, 1 курс, группа 9352

Работа проводилась в Институте Ядерной Физики СО РАН

Преподаватель молекулярного

 практикума

А.В. Сорокин

«»  2010 г.

Научный руководитель

 С.В.Карпов

«»  2010 г.

Новосибирск, 2010 г.

Аннотация: Данная курсовая работа посвящена определению состава остаточного газа в вакуумной системе криогенного магнитного детектора КМД-3 масс-спектрометрическим методом. Необходимость этого анализа связана с тем, что глубина вакуума значительно ниже, чем может быть получена с использованным для откачки оборудованием. Целью курсовой работы является определение состава газа, натекающего в вакуумную систему. Работа выполнена с использованием монопольного масс-спектрометра МХ-7304. В отчёте дано краткое описание криогенной и вакуумной систем детектора; описан принцип масс-спектрометрического анализа остаточного газа в вакуумных системах; приведена конструкция и принцип действия масс-спектрометра МХ-7304. В процессе работы снимались спектры масс остаточного газа в различных состояниях магнитной системы: до начала охлаждения криогенной системы, после охлаждения тепловых экранов жидким азотом и после окончательного захолаживания системы и заливки криогенных жидкостей ­–  гелия и ксенона. По результатам произведённых исследований сделаны выводы о том, что порча вакуума происходит в связи с натеканием атмосферного воздуха.  

1.  Введение

Развитие современной науки и техники совершенно не мыслимо без технологических процессов, протекающих в условиях сверхвысокого вакуума. Сверхвысоким вакуумом в технике называют такое состояние газа, когда его давление меньше10^-5 Па (это давление в 10¹⁰ раз меньше атмосферного). Часто необходимо не только вести технологический процесс в условиях сверхвысокого вакуума, но и знать состав газовой смеси. Например это требует криогенный магнитный детек­тор КМД-3 (рис.1), используищийся для экспериментов со встречными пучками на накопителе ВЭПП-2000.

Для измерения импульса заряженных частиц в детекторе создаётся постоянное магнитное поле напряжённостью 1 Тл. Источником магнитного поля служит сверхпроводящий соленоид, рабочая  температура которого составляет 4.5 К. В криогенной системе детектора, для получения такой температуры используется жидкий гелий. Кроме того в КМД-3 для измерения энергии частиц имеется калориметр, заполненный жидким ксеноном. Тепловые экраны этого калориметра охлаждаются жидким азотом.

Для изоляции криогенной системы от окружающей среды она помещена в герметичный корпус, внутри которого  создаётся вакуум. Для получения вакуума используются турбо-молекулярные и форвакуумные насосы. Ожидаемое давление в системе при использовании этих насосов должно составлять 10^-5 Па при комнатной температуре. Однако, не удаётся получить давление ниже 10^-3 Па. Это говорит о том, что в системе имеются источники газа, которые приводят к порче вакуума. В вакуумных системах источниками газового потока могут быть:

·  газоотделение материалов деталей вакуумной системы;

·  газопроницаемость стенок элементов системы;

·  натекание газа через неплотности и соединения в системе.

Наиболее частой причиной серьёзной порчи вакуума является натекание. В вакуумной системе КМД-3  натекание может происходить из системы обеспечения жидким гелием, жидкоксенонового калориметра, системы обеспечения жидким азотом, а также из окружающей атмосферы через уплотнения или микротрещины в вакуумном корпусе. Целью проделанной работы является определение источника натекания по составу остаточного газа.

2.  Описание эксперимента

2.1.  Методика измерений

Для получения спектров масс использовался масс-спектрометр МХ-7304. Измерения проводились в следующей последовательности:

·  Получение спектра масс остаточного газа в самом спектрометре без напуска из вакуумной системы;

·  Получение спектра масс остаточного газа с напуском из вакуумной системы;

·  Получение спектра масс с напуском из атмосферы с целью проверки калибровки спектрометра.

Измерения проводились при трёх состояниях криогенной системы:

·  После начала подачи жидкого азота  при температуре в системе выше 0 ^о С;

·  После охлаждения тепловых экранов до  -100 ^оС при отсутствии жидкого гелия и ксенона;

·   После полного охлаждения системы, заливки жидкого гелия и ксенона.

По результатам сравнения полученного спектра газов в вакуумной системе со спектром атмосферы и со справочными данными, делался вывод об источнике натекания.

Для анализа состава веществ применяется множество разных методов. В основе всех методов лежат различия каких-то свойств веществ. Масс-спектрометрический метод основан на различии масс молекул разных веществ.