4g lezione ariosto - infn sezione di ferraraciullo/vuoto_per_licei/4g_lezione_ariosto.pdf ·...
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ConduttanzaConduttanza
P1 P2Q‐>
21 PP >Se Se ΔΔP 0 ; P 0 ; sisi ha ha flussoflusso didi gas (Q): gas (Q): ≠
21
3⎤⎡
Si Si definiscedefinisce conduttanzaconduttanza ( C ):( C ):
3
⎥⎦
⎤⎢⎣
⎡Δ
=s
mP
QC
Vuoto e Spettrometria di Massa
⎦⎣Δ sP
Altre equazioni maestreqPer dimensionare un sistema da vuoto, individuata la grandezza che si converva lungo in sistema (Q) si hanno a disposizione le che si converva lungo in sistema (Q), si hanno a disposizione le cosiddette equazioni maestre:
PCQ ΔQ
Pompa daPCQ Δ= Pompa daBasso vuoto
Q
Pompa daAlto vuoto
ii P
QS =
CSS111
21
+=
Alto vuoto
Vuoto e Spettrometria di Massa
CSS 21
Contributo alla portata nel vuoto.
Evaporazione, DesorbimentoPermeazione Perdite (leak)
Vuoto e Spettrometria di Massa
Controflusso (backstreaming)
Misura diretta (basso vuoto)Misurano proprio la pressione
dovuta all’urto delle molecole
Misura di pressionidovuta all urto delle molecolesu una parete, rispetto ad un volume evacuato.
Misuratori tra i più precisi esistenti sul mercato 0 15 %sul mercato 0.15.%
1100 ‐10‐1 mbar110 – 10‐2
11 ‐ 10‐3
1.1 ‐ 10‐4
0.11 ‐ 10‐50.11 10
Misura la variazione della capacità al variare della deflessione del diaframma.La variazione può essere dell’ordine di 10‐9 cm: richiesta stabilità termica.
Vuoto e Spettrometria di Massa
Misura indiretta (misuratori Termici)
Gauge a conducibilità termicaConduzione di calore dipende da P, per 0.01< Kn <10 )(2
2 pd
kTπ
λ =
)( 44 TTAH σε
Alta pressioneBassa pressione
)( pπ
perdite )( 121
+−= TTAH σε
Il flusso di calore è linearmente dipendente da P, se T
Vuoto e Spettrometria di MassaLab di rivelatori LS Misure di pressione (Ciullo G.)
p ,e coefficienti di accomodamento costanti.
Misuratore tipo Pirani Misuratore a conducibilità termica in cui il filamento riscaldato è un
ramo di un ponte di Weathstone.All’ t di P l T d lAll’aumentare di P, la T del
filamento diminuisce (aumento di scambio termico),
sbilanciando il ponte Vienesbilanciando il ponte. Viene fornita maggiore corrente per
avere il filamento a T =cost
(Metodo a temperatura costante)
Tubo di compensazione, evacuato e sigillato perevacuato e sigillato per
correggere l’influenza della temperatura ambiente sullo Zero.
Azzeramento a P<10-4 mbarAzzeramento a P<10 4 mbar
La conducibilità termica varia con il tipo di gas
Vuoto e Spettrometria di MassaLab di rivelatori LS Misure di pressione (Ciullo G.)
La conducibilità termica varia con il tipo di gas. La calibrazione del misuratore quindi dipende dal tipo di gas.
Misura in alto vuoto (ionizzazione)( )Si devono produrre elettroni, accelerarli in modo cheionizzino le molecole presenti nel vuoto e raccogliere la
Catodo Caldo Catodo freddo
p gcarica quindi degli ioni
Catodo Caldo Catodo freddo
Vuoto e Spettrometria di Massa
La corrente di ioni (i+) positivi, prodotti dal bombardamento degli elettroni i =i è data dalla relazioneelettroni i+ ip è data dalla relazione
PiSi ep ⋅⋅=ip è la corrente rilevata, S l’efficienza di ionizzazione,ie è la corrente di elettroni che bombardano il gas,
H2 0.42 0.5
e g ,P la pressione del gas.
O i l l h ffi iHe 0.18
H O 0 9
Ogni molecola ha una efficienzadi ionizzazione, si fissa pari
ad uno quella dell’azoto molecolare H2O 0.9
N2 1.00
ad uno quella dell azoto molecolare,e si forniscono le efficienze dei vari
Gas rispetto ad esso. O2 1.00
Acetone 5PiSi ep ⋅⋅=
p
ep
Con i misuratori di pressioni a ionizzazione si misura la corrente di tutti i tipi di gas presenti nel vuoto. Dato che si parte dall’aria, in essa il gas con percentuale maggiore
Vuoto e Spettrometria di Massa
p p , g p ggè l’azoto, si utilizza per la sensibilità il valore 1.Sarebbe interessante separare i vari tipi di gas: spettrometria di massa.
Spettrometria di massa
Bisogna:separare le varie molecole
ionizzare il gas, rivelarle
Vuoto e Spettrometria di Massa
Frammentazione
Abbondanza isotopica
Vuoto e Spettrometria di MassaLab di rivelatori LS Misure di pressione (Ciullo G.)
Spettro di massa: sulle ascisse rapporto tra numero di massa M (uma)
ed n e (numero di cariche elementari ) m/e
Vuoto e Spettrometria di Massa
Gas che compongono l’ariaNei sistemi da vuoto dato che vuoto, dato che partiamo dall’aria ci aspettiamo che alcuni gas
lrimangano nel volume.S ’è Se c’è una perdita ci aspettiamo di aspettiamo di vedere soprattutto N2
Vuoto e Spettrometria di Massa
e O2.
Misura della velocità di pompaggiop p ggDalle misure di espansione, noto il volume di Vcil, possiamo determinare ilvolume Vtubi e quindi il volume totale Vtot.vo u e Vtubi e qu d vo u e tota e Vtot.
Dalla relazione P1Vcil=P2(Vcil+Vtubi) si ottiene
PP 21 −ciltubi V
PPPV
2
21=
Come esempio presentiamo quanto misurato in un’altra occasione per glistudenti delle scuole superiori studenti delle scuole superiori.
Vuoto e Spettrometria di Massa
Calcoliamo il volume V il dalle misure del diamatro ed altezza
misura P [mbar] P[mbar] misura del volume Vtubi
/( vuoto in
Calcoliamo il volume Vcil dalle misure del diamatro ed altezza,Mentre mediante la misura di espansione misuriamo il Volume totale
Cilindro Tubi media Pi/Pi+1 Vtubi) P1‐P2 (P1‐P2)/P2
1 900,7 901 900,85 87,4 0,11
2 813,9 813 813,45 1,11 10 76,95 0,10
3 737 736 736,5 1,10 11 70,5 0,11
4 666 666 666 1,11 11 Vtubi
media= 0,11 1,1,
Vcil= 9,9 l calcolato
VPPV 21 −=Vtot= Vcil + Vtubi =11 litri l
ciltubi VP
V2
=
Vuoto e Spettrometria di Massa
Queste sono le misure di un edizione precedente,provate ad ottenere il volume totale dai vostri dati.
ttempodicostante dallatotalevolumeilRicavato
ττ tottot VS
SV
== : relazione dalla ricava sit [s] P [mbar]0 900,00010 772,00020 686,00030 610,000
900P in funzione di t
P[m
bar]
τS
,40 544,00050 492,00060 445,00070 406,00080 367,00090 33 000
y = 814e‐0,0097 t
600
700
800
90 335,000100 306,000110 280,000120 256,000130 237,000140 216 000
400
500
600
Dati
Expon. (Dati)140 216,000
200
300
p ( )
1/τ 0,0097 S=0,11 l/s0
100
0 50 100 150 t [s]
Vuoto e Spettrometria di Massa
1/τ 0,0097 S 0,11 l/s [ ]
Misure di un’edizione precedente, provate a calcolare la velocità di pompaggio dai vostri dati.
ConsiderazioneRicordiamo che la velocità di pompaggio nel volume ( nel nostra caso Vtot = Vcil +Vtubi ) sarebbe S h d ll l i S1, che dalla relazione
Volume
Pompa CSS111
+=
se C è piccola rispetto ad S2(quindi se chiudiamo la
pCSS 21
se C è piccola rispetto ad S2(quindi se chiudiamo la valvolta) dato che si sommano gli inversi domina1/C pertanto: 11
Vuoto e Spettrometria di Massa
pCS
CS≈⇒≈ 1
1
11
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