Вакуумная техника

1. ВВЕДЕНИЕ Вакуумная техника – это наука, которая изучает физико-химические процессы в разреженных газах, вопросы получения, сохранения и измерения вакуума. Успехи физики высоких энергий, электронной и полупроводниковой техники, достижения в сфере освоения космоса в значительной мере связаны с разработкой эффективных методов откачки и технологии получения высокого и сверхвысокого вакуума. Особенности протекания физических и физико-химических процессов в вакууме (по сравнению с процессами при атмосферном давлении): увеличение в десятки – сотни раз скорости испарения материалов, интенсификация в десятки раз выделения растворенных в них газов, значительный сдвиг равновесия в системе газ-материал, уменьшение в десятки-сотни раз скорости окисления, рост скорости диффузии, взаимодействие нейтральных и заряженных частиц в вакууме и др. Эти особенности открыли огромные возможности в интенсификации технологического процесса нанесения оптических покрытий, повышении качества получаемых покрытий и создании новых материалов с новыми свойствами, в создании новых приборов, аппаратов и машин. 1.1. Основы молекулярно-кинетической теории газов Вакуумная техника занимается разреженными, т.е. имеющими давление ниже атмосферного, газами и парами. Разреженный газ по своим свойствам практически не отличается от идеального газа, физической модели реального газа, предложенной учеными в начале XVIII в. В то время начала развиваться последовательная молекулярно – кинетическая теория, целью которой являлось объяснение свойств макроскопических тел и тепловых процессов, протекающих в них, на основе представлений о том, что все тела состоят из отдельных, беспорядочных движущихся частиц, которые взаимодействуют друг с другом. Идеальными газами принято считать такие, у которых: • Молекулы можно представить как упругие материальные частицы; • Силы межмолекулярного взаимодействия отсутствуют (происходит лишь упругие столкновения между молекулами); • Объем, занимаемый собственно молекулами, исчезающе мал по сравнению с объемом, свободным от молекул. Состояние газа определяется тремя параметрами: давлением, объемом и температурой. Уравнение состояния идеального газа, связывающее эти три параметра с массой газа, имеет вид: , (1.1) где p – давление газа; V – объем газа; Т – абсолютная температура газа; m – масса газа; M – молярная масс газа; R – универсальная газовая постоянная. Как уже отмечалось, разреженные газы по своим свойствам близки к идеальным, поэтому газовые законы, описывающие свойства идеальных газов, были также применены при рассмотрении некоторых процессов в вакуумной технике. Среди этих законов мы выделим газовый закон Бойля – Мариотта и закон Шарля. Технологический процесс откачки вакуумной системе производится на непрогреваемой установке, следовательно, воздух, откачиваемый из камеры, имеет постоянную комнатную температуру. Закон Бойля – Мариотта: при постоянной массе газа и температуре произведение давления газа на его объем есть величина постоянная: (1.2) Из уравнения (1.2) следует, что произведением pV можно измерять количество газа, если его температура остается неизменной. Уравнение (1.2), при его дальнейшем рассмотрении, объясняет смысл определения потока газа, т.е. произведение давления в любом сечении системы на объем газа, проходящий через это сечение в единицу времени есть постоянная величина. Постоянство потока газа является одним из главных принципов, благодаря которому, осуществляется поверочный расчет вакуумной системы. Действие приборов, измеряющих полное давление разреженного газа, т.е. тепловых вакуумметров, также основано на одном из газовых законов идеального газа. Закон Шарля: при постоянной массе газа и объеме, давление газа пропорционально его абсолютной температуре: (1.3) Многочисленные удары молекул о стенки сосуда создают давление газа. Давление газа с точки зрения кинетической теории есть суммарный импульс силы, который вследствие теплового движения сообщается ударами молекул газа в единицу времени единице поверхности. , (1.4) где p – давление; N1 – количество молекул в единице объема (молекулярная концентрация); m – масса молекулы; u – средняя скорость молекулы. Единицей давления в системе СИ служит Паскаль (Па). Тепловое движение молекул сопровождается не только ударами молекул о стенки сосуда, в котором заключается газ, но и их взаимными столкновениями. Вследствие этого путь молекулы газа при тепловом движении представляет собой, вообще говоря, пространственную ломаную линию, прямолинейные участки которой соответствуют свободному пути молекулы (без столкновений); точки, где молекула меняет свое направление, соответствует моментам столкновения данной молекулы, с какой – либо другой. Поскольку тепловое движение беспорядочно, прямолинейные пути молекул между двумя столкновениями не могут быть одинаковы; тем не менее мы вводим понятие о среднем расстоянии, проходимом молекулами между двумя столкновениями, т.е о средней длине свободного пути молекул газа . 1.2. Физика вакуума и его получение Интенсивность протекания физико-химических процессов в вакууме зависит от соотношения между числом столкновений молекул газа со стенками ограничивающего его сосуда и числом взаимных столкновений молекул, характеризующимися отношением средней длины свободного пути молекул к характерному (определяющему) линейному размеру l сосуда; это соотношение, называется числом Кнудсена Kn, положено в основу условного разделения областей вакуума на следующие диапазоны: низкий, средний, высокий. , (1.5) где Kn – число Кнудсена; p – давление в рассматриваемом элементе вакуумной системы; D – линейный размер элемента (диаметр). Низкий вакуум характеризуется давлением газа, при котором средняя длина свободного пути молекул газа значительно меньше характерного линейного размера сосуда, существенного для рассматриваемого процесса (<< l). Низкому вакууму обычно соответствует область давлений от 105 до 100 Па. Средний вакуум характеризуется давлением газа, при котором средняя длина свободного пути молекул газа значительно меньше характерным линейным размером (≈ l). Среднему вакууму обычно соответствует область давлений от 100 до 0,1 Па. Высокий вакуум характеризуется давлением газа, при котором средняя длина свободного пути молекул газа значительно превышает характерный линейный размер (>> l). Высокому вакууму обычно соответствует область давлений от 0,1 до 10-5 Па. В свою очередь каждому из условных диапазонов вакуума соответствует определенное течение газа (низкий вакуум – вязкостное Kn<0,01; средний вакуум – молекулярно-вязкостное 0,010,33), которое зависит от ряда параметров: температуры газа и стенок, разности давлений на концах системы, абсолютного давления, внутреннего трения в газе и взаимодействия газа с поверхностью, а также от формы и размеров рассматриваемой системы. В основу получения вакуума могут быть положены два принципа: первый – удаление газа из откачиваемого сосуда за пределы вакуумной системы, второй – связывание газа в вакуумной системе. Первый принцип реализован в газоперемещающих насосах. Перемещение массы газа можно производить периодически, отдельными порциями и непрерывно. Для удаления порции газа необходимо изолировать в рабочей камере насоса определенный объем газа, переместить его от входного патрубка насоса, к выходному, сжать в процессе перемещения до давления, большего, чем давление в выходном сечении насоса, и вытолкнуть газ за пределы насоса. Вакуумные насосы, которые откачивает газ из рабочей камеры отдельными порциями, называют объемными насосами. Объемными вакуумными насосами являются только механические насосы, т.е. такие насосы, откачивающее действие которых основано на перемещении газа вследствие механического движения рабочих частей насоса. Для непрерывного удаления нейтральных молекул газа необходимо иметь тело, которое постоянно увлекало бы и перемещало газ. Таким телом может быть непрерывно движущаяся твердая поверхность (турбомолекулярные насосы) или струя жидкости (диффузионные насосы), пара или газа. Параметры насосов а также принципы их действия более подробно рассмотрены в конструкторском разделе дипломного проекта. 1.3. Свойства вакуумных материалов Конструкция вакуумных систем во многом определяется свойствами используемых материалов, т.к. от них зависит получение в откачиваемом объеме предельного вакуума при минимальном времени откачки. В дополнении к обычным требованиям – прочности, технологичности, легкости, и т.д. – вакуумная техника выдвигает к материалам, используемым для изготовления вакуумной аппаратуры, ряд специфических требований. Материалы должны: • быть коррозионно-стойкими, иметь повышенные пределы выносливости и ползучести; • характеризоваться минимальным газовыделением при рабочих давлении и температуре и др; • легко отдавать ранее поглощенные им газы и пары в процессе обезгаживания вакуумной установки; Требования коррозионной стойкости материалов обусловлены недопустимостью образования оксидов на поверхности, которые легко разлагаются и имеют более высокое давление пара, чем основной металл. Таким образом, коррозия увеличивает газовыделение материалов, уменьшает прочность тонкостенных деталей, вызывает при соприкосновении с окисляющими газами межкристаллическую коррозию и появление натеканий. На поверхности твердого тела обычно существует слой связанных молекул. Поглощение молекул твердым телом называется сорбцией, обратный процесс – десорбция, а поглощающее тело – сорбентом. В зависимости от температуры, количества газа, содержащегося в твердом теле, и давления газа, окружающего твердое тело, одно явление может временно преобладать над другим, но если поддерживать постоянную температуру, то обязательно наступит динамическое равновесие, при котором количество газа, поглощаемого и выделяемого твердым телом в единицу времени, становятся равными, а содержание газа в твердом теле и давление окружающего газа становится равным. Облегчая десорбцию, мы можем, как говорят, обезгазить твердое тело, т.е. довести содержание газа в нем до возможного минимума и тем самым устранить опасность газовыделения из материалов деталей в вакуумном объеме. С явлением десорбции приходится считаться при использовании твердых материалов (деталей), помещаемых внутри вакуумной камеры, т.к. интенсивная десорбция приводит к обильному газовыделению и сильно замедляет откачку. Обычно детали изготавливаются в газовой атмосфере при высоком давлении, в результате они сорбируют газы до определенного уровня, соответствующего равновесию между сорбцией и десорбцией. Если эти детали поместить в вакуум, непрерывно поддерживаемый насосами, равновесие нарушится, начнет преобладать десорбция. После достаточно длительного времени пребывания в вакууме равновесное состояние снова восстановится, но уже при меньшем газосодержании. Поверхность вакуумных материалов должны быть тщательно очищены от загрязнений, являющихся дополнительными источниками газовыделения. На величину газовыделения большое влияние оказывает технологическая обработка материала (термическая, механическая и т.д). Значительно уменьшить газовыделение можно также предварительно обезгаживанием материала в вакууме при максимально допустимой для данного металла или сплава температуре (с учетом сохранения формы деталей). Однако в нашем случае высокотемпературный прогрев всей вакуумной установки по многим причинам (наличие резиновых уплотняющих прокладок, стеклянных деталей и т.п.), недопустим и ее обезгаживание приходится производить путем длительной откачки при комнатной температуре. Обезгаживание происходит очень медленно, а газовыделение, если внутренняя поверхность вакуумной установки достаточно велика, может достигать значительной величины. Если к тому же производительность вакуумного насоса невелика, то откачка системы до требуемого давления может быть более длительной. Таким образом, при проектировании вакуумной системы установки для нанесения оптических покрытий, нельзя ограничиваться только выбором типа средства откачки (насоса) по показателю предельного рабочего давления насоса. Необходимо также учитывать кинетику газовыделений материалов вакуумной системы и деталей подложек, помещенных в вакуумную полость, т.к. их активная десорбция в вакууме может существенно влиять на длительность откачки и рабочее давление в системе. 2.Оборудование для получения и поддержания вакуума. 2.1. Принципы построения вакуумных систем К вакуумной системе установки для нанесения оптических покрытий предъявляется ряд требований, выполнение которых обеспечивает возможность проведения необходимого технологического процесса, осуществляемого в вакууме. 1. Вакуумная система должна обеспечить получение требуемого давления в откачиваемом сосуде. Для удовлетворения этого требования вакуумная система должна быть герметичной и снабжена соответствующими средствами откачки, измерения давления, коммутирующими и разъемными элементами. Важным условием выполнения этого требования является подбор материалов, из которых будут изготовлены вакуумная система и ее элементы. 2. Вакуумная система должна обеспечить возможность получения требуемой быстроты откачки сосуда. Для этого вакуумная система должна иметь определенную проводимость, а примененный вакуумный насос должен обладать необходимой быстротой действия. 3. Вакуумная система должна быть снабжена устройствами для контроля ряда параметров, характеризующих ее состояние. К таким основным параметрам относятся общее и парциальные давления остаточных газов, скорость собственного газовыделения вакуумной системы и т.д. Для контроля и измерения этих параметров вакуумную систему снабжают преобразователями давления, масс-спектрометрами, потокомерами и другими измерительными приборами. 4. При применении автоматических систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) вакуумная система должна быть оснащена набором различных датчиков, осуществляющих передачу информации на ЭВМ. Используемые в вакуумной системе коммутирующие элементы должны быть автоматизированными, а средства откачки – высокопроизводительными и долговечными. 5. Вакуумная система должна быть высоконадежной при эксплуатации и иметь длительный межремонтный период. Это требование вызвано и тем, что необходимо поддерживать вакуумную систему в рабочем состоянии в течение как можно большего времени. Вакуумная система, длительно не соприкасающаяся с атмосферой, с течением времени обезгаживается, снижается ее собственное газовыделение и повышается эффективность ее работы. Рассмотрим принципы построения вакуумных систем установок для нанесения оптических покрытий. На рис.2.1 и рис.2.2 изображены принципиальные схемы вакуумных установок для нанесения оптических покрытий масляной и безмасляной системой откачки. Рис. 2.1. Принципиальная схема вакуумной системы установки для нанесения оптических покрытий с применением диффузионного насоса Масляная система откачки включает в себя, прежде всего вакуумную камеру CV, которая предварительно откачивается через клапан VE 2 двухступенчатым механическим насосом NP, который в это время отсоединен от пароструйного диффузионного насоса ND клапаном VE 1, при этом затвор VT закрыт. Высоковакуумная откачка рабочей камеры осуществляется высоковакуумным насосом ND через азотную ловушку BL; при этом клапан VE 2 закрыт, а затвор VT открыт. Предварительное разрежение насоса ND, осуществляет насос NP, при этом клапан VE 2 и затвор VT закрыты. Давление в вакуумной системе измеряют с помощью тепловых PT 1, PT 2, PT 3 и магнитных электроразрядных PM 1, PM 2 вакуумметров. Для напуска воздуха или газа в рабочую камеру предусмотрены натекатель VF 2, VF 3. Для напуска воздуха в двухступенчатый насос NP предусмотрен натекатель VF 1. Рис. 2.2. Принципиальная схема вакуумной системы установки для нанесения оптических покрытий, с применением турбомолекулярного насоса Безмасленая система откачки включает в себя, прежде всего вакуумную камеру CV, которая предварительно откачивается через клапан VE и водоохлаждаемую ловушку BW двухступенчатым механическим насосом NP. Высоковакуумная откачка рабочей камеры осуществляется турбомолекулярным насосом NR через азотную ловушку BL. Давление в вакуумной системе измеряют с помощью тепловых PT 1, PT 2, PT 3 и магнитных электроразрядных PM 1, PM 2 вакуумметров. Для напуска воздуха или газа в рабочую камеру предусмотрены натекатель VF 2, VF 3. Для напуска воздуха в двухступенчатый насос NP предусмотрен натекатель VF 1. Рассмотрим основные вакуумные элементы данных принципиальных вакуумных схем, определим их назначение, принцип работы. 2.2. Основные узлы вакуумной установки и их назначение 2.2.1. Вакуумные насосы 2.2.1.1. Общие сведения о вакуумных насосах Получение требуемого рабочего давления в камере связано с использованием вакуумных насосов. Вакуумные насосы часто разделяют по областям действия, т.е. по диапазонам давлений, в которых они используются. На рис. 2.3. показаны диапазоны давлений, в которых работают промышленные вакуумные насосы. Рис. 2.3. Области действия вакуумных насосов Низковакуумные насосы работают в области давлений от 1,03·105 Па (атмосферное давление) до 102 Па. К этим насосам относятся некоторые насосы объемного действия, эжекторные, адсорбционные, криогенные насосы. Средневакуумные насосы работают в области давлений 102 – 10-1 Па. К этим насосам относятся некоторые насосы объемного действия, эжекторные, пароструйные, бустерные, адсорбционные. Высовакуумные насосы работают в области давлений 10-1 – 10-5 Па, сверхвысоковакуумные – в области давлений ниже 10-5 Па. К ним относятся молекулярные диффузионные паромасляные, диффузионные парортутные, турбомолекулярные, сорбционные и криогенные насосы. Таким образом, для получения высокого и сверхвысокого вакуума могут использоваться насосы одинакового типа. Возможность получения сверхвысокого вакуума обычно определяется не только типом используемого насоса, сколько конструкцией насоса и вакуумной системы и способом их подготовки (предварительной очистки, термического обезгаживания). 2.2.1.2. Основные параметры вакуумных насосов Для расчета вакуумных систем и правильного выбора вакуумных насосов необходимо знать их параметры. Основными параметрами вакуумных насосов является наибольшее давление запуска, наибольшее выпускное давление, наибольшее рабочее давление, предельное остаточное давление, быстрота действия и производительность. Наибольшим давлением запуска pнач называется наибольшее давление во входном сечении вакуумного насоса, при котором насос может начать работу. Не все насосы (рис. 2.3) способны начинать работу с атмосферного давления; для некоторых необходим предварительное разрежение – «форвакуум». Наибольшим выпускным давлением pнаиб называется давление в выходном сечении вакуумного насоса, при котором насос еще может осуществлять откачку. Все насосы, у которых наибольшее выпускное давление ниже атмосферного, должны иметь на выходе так называемый форвакуумный, создающий необходимый форвакуум насос. Наибольшим рабочим давлением pраб называется наибольшее давление во входном сечении вакуумного насоса, при котором насос длительное время сохраняет номинальную быстроту действия. Предельным остаточным давлением pост называется наименьшее давление, которое может быть достигнуто при работе насоса без нагрузки, т.е. когда во входное сечение насоса не поступают извне газы или пары. Невозможность беспредельного понижения давления обусловлена тем, что каждый реальный насос характеризуется натеканием (обратным потоком) газов или паров на собственный вход. Обратный поток может состоять из паров рабочей жидкости, проникающих через механизм насоса, газов, выделяющихся из конструкционных материалов, и газов, натекающих из окружающей среды через неплотности. С понижением давления поток откачиваемого газа, проходящий через насос уменьшается, в то же время обратный поток остается практически неизменным; поэтому наступает момент, когда эти потоки становятся одинаковыми и давление во входном сечении насоса перестает уменьшаться. Это и есть предельное остаточное давление, достигаемое насосом. У большинства насосов при достижении предельного остаточного давления, кроме остаточных газов, во входном сечении имеются и пары, в связи, с чем различают полное остаточное давление, т.е. сумму парциальных давлений остаточных газов и паров, и давление остаточных газов. В масляной системе откачки, в которой применяют паромасляные диффузионные насосы, использующие рабочую жидкость, полное остаточное давление определяется составом и состоянием рабочей жидкости и обычно на порядок выше давления остаточных газов, которое зависит обычно от конструкции и качества изготовления насоса. В безмасляной системе откачки, в которой применяют турбомолекулярные насосы, не использующие рабочую жидкость, остаточное давление паров, как правило, пренебрежимо мало по сравнению с давлением остаточных газов. Быстротой действия вакуумного насоса Sн называется быстрота откачки, получаемая во входном сечении насоса при данном давлении, т.е. объем газа, проходящий через впускное сечение насоса в единицу времени при определенном давлении. Быстрота действия большинства насосов практически постоянна в области рабочих давлений и начинает уменьшаться (и даже может стать равной нулю) при достижении давлений, близких к предельному остаточному давлению, а также превышении наибольшего рабочего давления. Качество насоса тем лучше, чем шире диапазон давлений, в пределах которого быстрота действия насоса мало изменяется. Производительностью насоса Q’н называется поток газа во входном сечении насоса при данном давлении, т.е. количество газа, удаляемого в единицу времени при этом давлении. Производительность и быстрота действия насоса связаны соотношением Q’н=pнSн , где pн – давление во входном сечении насоса. При выборе насоса следует учитывать и такие характеристики, как экономическая эффективность, потребление энергии, охлаждающей воды, расход рабочей жидкости, масса, габариты, частота вращения, уровень шумов, вибрация и т.д. Часто необходимо знать способность насоса откачивать не только воздух, но и другие газы, и конденсирующие пары; устойчивость насоса к резким повышениям давления во входном и выходном сечениях к прорывам атмосферного воздуха; время, необходимое для запуска и остановки насоса; создаваемый насосом уровень загрязнений откачиваемого сосуда парами рабочей жидкости; состав остаточных газов. 2.2.1.3. Пластинчато-роторный насос Пластинчато-роторные вакуумные насосы отличаются простотой конструкции и обслуживания, быстроходностью, возможностью непосредственного соединения с двигателем, хорошей уравновешенностью. Недостаток этих насосов состоит в относительно высоких внутренних перетеканиях газа и механических потерях. Использование низкий и средний вакуум. Пластинчато-роторный насос (рис.2.4), содержит цилиндрический корпус 7 с выпускным 4 и выхлопным 3 патрубками и эксцентрично расположенный ротор 6, в пазах которого установлены пластины 5. Под действием центробежной силы пластины прижимаются к корпусу, обеспечивая изменение рабочего объема рабочей камеры насоса. Насосы с малой быстротой действия (~1 л/с) работают в масляной ванне, обеспечивающей герметизацию соединений насоса и снижение потерь на трение. Для предотвращения заполнения маслом рабочей камеры служит клапан 2. Начальное прижатие пластин к поверхности статора осуществляется пружиной 1. Рис 2.4. Устройство пластинчато-роторного насоса Принцип действия, насоса (рис.2.5) заключается в следующем. Если положение I принять за начальное, то в этом положении пластина А, продвинувшись вниз, создаст расширение рабочего объема со стороны впускного патрубка, в результате чего происходит всасывание газа из откачиваемого объема. Область между движущейся вниз пластиной и впускным патрубком насоса называют объемом всасывания. Поступление газа в рабочий объем прекращается при проходе к впускному патрубку пластины A’ (положение II). При этом объем, находящийся перед пластиной А, отсекается от откачиваемого. Затем газ, захваченный в отсеченный объем, перегоняется к выпускному патрубку, сжимается пластиной А и выбрасывается в атмосферу (положение III) через выхлопной клапан. Положение III совпадает с начальным положением I, с той разницей, что пластины меняются местами. Дальше работа насоса продолжается в описанном порядке. В рабочей камере между пластинами всегда имеется три объема: разрежения, перегоняемый и сжатия. Рис 2.5. Принцип действия пластинчато-роторного насоса 2.2.1.4. Двухроторный насос Конструкция насоса представлена на рис. 2.6. За один оборот каждый из роторов дважды перебрасывает заштрихованный объем газа из области высокого вакуума в область предварительного разрежения. Роторы вращаются в разные стороны. Рис 2.6. Устройство двухроторного механического насоса Синхронность их вращения обеспечивается зубчатой передачей с передаточным числом, равным единице. Двухроторные насосы при тех же габаритах имеют большую быстроту действия, чем пластинчато-роторные насосы, так как из-за отсутствия трения между ротором и статором можно значительно увеличить частоту вращения. Принцип работы двухроторного насоса показан на рис. 2.7. В положении 1 начинается всасывание газа верхним ротором, заканчивается в положении 2, когда начинается всасывание нижним ротором. В положении 3 роторы меняются ролями (по сравнению с положением 1): верхний ротор перегоняет захваченную порцию газа к выпускному патрубку, а нижний – продолжает всасывание. В положении 4 верхний ротор начинает выброс газа в выпускной патрубок, а нижний – заканчивает всасывание. Затем верхний ротор начинает новый цикл всасывания, а нижний – выброса. Таким образом, циклы всасывания-выброса повторяются. Рис 2.7. Принцип действия двухроторного механического насоса При высоких давлениях, когда длина свободного пути молекул газа по сравнению с шириной зазора (0,1-0,15 мм) еще мала, насос не может работать эффективно, так как одновременно с захватом газа и выталкиванием его в сторону выпускного отверстия вращающимися роторами в откачиваемый объем через зазоры, имеющие при таких же давлениях относительно большую пропускную способность, успевает проходить обратно большее количество газа. Поэтому рассматриваемый насос нуждается для нормальной работы в предварительном разрежении, для создания которого применяется пластинчато-роторный насос. Работа двухроторного насоса становится эффективной, когда насосом предварительного вакуума впускное давление снижается до нескольких сотен Паскаль. Однако наибольшую быстроту действия получают при впускном давлении порядка нескольких единиц Паскаль, при котором длина свободного пути молекул газа становится равна нескольким миллиметрам, т.е. значительно превышает ширину зазоров, сопротивление которых обратному потоку газа при этих условиях сильно возрастает. Несмотря на то, что в данном типе насоса не используется рабочая жидкость в роторном механизме, двухроторные наосы не обеспечивают безмасляного вакуума, так как из-за малых значений наибольшего сжатия пары масла поступают на вход со стороны форвакуума из камеры шестерен связи и их подшипников. 2.2.1.5. Турбомолекулярный насос Турбомолекулярные насосы (ТМН) широко используют для откачивания газов в области давлений всасывания до 10-8 ÷ 10-10 Па из различных объектов, используемых в электротехнической, электронной, атомной, авиационной, химической и других отраслях промышленности. По сравнению с другими высоковакуумными насосами, ТМН обладают следующими преимуществами: удаляют газ из сосуда, не сорбируя его на рабочих органах, не загрязняют среду откачиваемого сосуда, парами углеводородов или другими рабочими веществами, имеют большую быстроту действия при откачке газов с малой молекулярной массой, обычно трудно удаляемых из высоковакуумных систем. Рис. 2.8. Схема турбомолекулярного насоса Беккера Конструктивная схема турбомолекулярного насоса, предложенного Беккером, представлена на рис. 2.8. В корпусе 2 с установленными на нем неподвижными статорными дисками 4 вращается ротор 1, представляющий собой вал с расположенными на нем рабочими колесами 3, которые выполнены в виде дисков с выфрезерованными косыми радиальными пазами или в виде лопаточных колес; их лопатки установлены под определенным углом к торцевой поверхности втулки. Когда рабочие колеса выполнены в виде дисков с пазами, в статорных колесах такой же формы пазы располагают зеркально по отношению к пазам роторных колес. Если рабочие колеса имеют лопатки, то и статорные колеса выполняют лопатками обычно с тем же углом, но зеркально отраженными по отношению к углу установки лопаток рабочего колеса. Для удобства монтажа статорные колеса выполняют разрезными по диаметру. Ротор насоса устанавливают на подшипниках качения. Всасывающий патрубок расположен в средней части корпуса. Нагнетательные полости, расположенные по торцам корпуса насоса, объединены общим патрубком, к которому подсоединен форвакуумный насос. Чем диффузионный насос отличается от турбомолекулярного насоса - ? Основное отличие насосов – это принцип действия. Турбомолекулярный насос имеет механический или объемный тип, тогда как диффузионный насос необъемный. В то время, как в турбомолекулярном наосе основными элементами являются лопасти ротора и статора, то в диффузионном работу выполняет паровая струя, направляющая газы или воздух. Данный тип насоса рекомендуется как высоковакуумный насос в безмасляной системе откачки. 2.2.1.6. Диффузионный насос Диффузионные насосы являются наиболее распространенным высоковакуумным средством откачки и широко применяются в различных областях вакуумной техники. Диффузионные насосы применяют для откачки различных вакуумных систем до остаточного давления 10-2 – 10-5 Па. При таких давлениях длина свободного пути молекул откачиваемого газа практически всегда больше диаметра впускного отверстия насоса и поэтому в нем возникает молекулярный режим течения газа. Молекулы газа при тепловом движении через впускное отверстие насоса направляются к паровой струе. Механизм увлечения газа в диффузионных насосах обусловлен диффузионными процессами. Вследствие разности концентрации газа на паровой струей и в самой струе (концентрация газа в струе вблизи сопла пренебрежимо мала) происходит диффузия газа в струю. Попав в струю, молекулы газа получают импульсы от молекул газа в направлении парового потока и уносятся вместе со струей к стенке корпуса насоса; пар конденсируется на охлаждаемой стенке, а газ, сжатый в струе до выпускного давления ступени, протекает вдоль стенки в пространство к следующей степени насоса. Трехступенчатый диффузионный паромасляный насос (рис. 2.9) имеет цилиндрический корпус 12, охлаждаемый холодной водой, протекающей по змеевику 2. Входной патрубок 1 в верхней части корпуса служит для присоединения насоса к откачиваемому объему. Выпускной патрубок 3 расположен в нижней части корпуса; который представляет собой кипятильник, куда заливается масло 5, подогреваемое электронагревателем 4. Паропроводы 6,7,8, расположены в корпусе насоса и заканчиваются зонтичными соплами 9,10,11. При включении насоса рабочая жидкость нагревается в кипятильнике, образовавшиеся пары поднимаются по паропроводам, проходят вверх и с большой скоростью выбрасываются в виде струй через направленные под углом к охлаждаемой стенки насоса сопла 11,10,9 соответственно первой, второй и третьей ступенями. Молекулы откачиваемого газа диффундируют в струи пара первой ступени и вместе с ним напрвляются на охлаждаемвые водой стенки насоса. При этом пары масла конденсируются, и образовавшиеся капли стекают в кипятильник. Рис. 2.9. Трехступенчатый диффузионный паромасляный насос Так обеспечивается непрерывная циркуляция рабочей жидкости в насосе. Увлеченный струей пара газ выбрасывается в основном вниз, последовательно диффундирует в струи пара второй и третьей ступеней и выбрасывается через выходной патрубок 3. Паромасляные насосы не работают без предварительного механического насоса, подсоединенного к их выходному патрубку и обеспечивающего предварительное разрежение, а также водяного охлаждения кожуха. Прекращение подачи воды в водяную рубашку может привести к перегреву насоса и сгоранию масла, а, следовательно, и к нарушению нормальной работы. К рабочим жидкостям пароструйных насосов предъявляются следующие требования: 1. минимальная упругость паров при комнатной температуре и максимальная при рабочей температуре в кипятильнике; 2. стойкость к разложению при нагревании; 3. минимальная способность растворять газы; 4. химическая стойкость по отношению к откачиваемым газам и материалам насоса; 5. малая теплота парообразования. В качестве рабочей жидкости пароструйных наосов применяют минеральные масла, сложные эфиры органических спиртов и кислот, кремнийорганические соединения. Так как предельное давление пароструйных насосов обусловлено обратным потоком рабочей жидкости из насоса в откачиваемый объект, его можно значительно уменьшить, если на пути обратного потока установить ловушки. Данный тип насоса мы рекомендуемый как высоковакуумный насос в масляной системе откачки. Адсорбционные насосы. Принцип действия адсорбционных насосов основан на способности предварительно обезгаженных твердых пористых тел поглощать газы и пары в основном за счет физической адсорбции. Адсорбционные насосы нашли применение в системах безмаслянной откачки как для создания , так и для получения или поддержания весьма низких давлений в высоковакуумных камерах. В качестве поглощающих материалов (адсорбентов) могут применяться силикагели, алюмогели, цеолиты и активированные угли. Однако наибольшее распространение получили цеолиты, представляющие собой алюмосиликаты щелочного или щелочноземнльного металла природного или искусственного происхождения. В качестве примера рассмотрим цеолитовый насос; благоприятные свойства цеолитов, возможность придания им очень тонкой и притом равномерной пористости, делают их наиболее подходящими адсорбентами для применения в адсорбционных насосах. В поры могут проникать только те газы, диаметр молекул которых меньше размера пор, т.е. цеолиты обладают избирательным поглощением газов, и это дало повод называть их молекулярными ситами. Устройство адсорбционных насосов очень простое. Они представляют собой стеклянный или металлический стакан 2 , со вставленной внутрь перфорированной трубкой 6 . Кольцевое пространство между трубкой и корпусом заполнено цеолитом 7 . Для охлаждения адсорбента на насос снизу одевается сосуд Дьюара, в который заливают жидкий азот. Хорошая теплопроводимость стенок стакана способствует быстрому охлаждению цеолита. Как и всякий вакуумный насос, работающий на принципе физико-химического связывания газов, адсорбционные и, в частности, цеолитовые насосы обладают ограниченной адсорбционной емкостью; поглотив определенное количество газов, насос достигает насыщения и прекращает свою работу. Насос, достигший насыщения, должен быть отключен от откачиваемого объема и подвергнут регенерации, заключаюшейся в удалении из цеолита поглощенных в нем газов и водяного пара. Т.е. после окончания откачки кран на входе насоса закрывается, сосуд Дьюара снимают, и насос согревается до комнатной температуры. При этом вследствие обратного выделения газа из цеолита давление в объеме насоса может превысить атмосферное. В связи с этим в верхней части насоса предусмотрен клапан (пробка) 4, сообщающий насос с атмосферой и предохраняющий насос от разрушения при выделении газа из адсорбента. Применяется также предохранительный клапан, открывающийся автоматически, если выделение газов из нагревшегося цеолита происходит очень быстро, и создается опасное избыточное давление. Для полной регенерации насоса одного снятия охлаждения и повышения температуры цеолита до комнатной недостаточно, так как при комнатной температуре он очень жадно поглощает водяной пар. Чтобы избежать этого и освободить цеолит от водяного пара, поглощенного им во время работы, необходимо его регенерацию выполнять при достаточно высокой температуре (минимальная равна 350С) , в то же время надо знать и максимально допустимую температуру регенерации, которая колеблется в зависимости от марки цеолита и превышение которой грозит разложением адсорбента. Полную регенерацию цеолита приходится проводить в течение 1 - 2 часов, после чего цеолитовый насос должен храниться изолированным от атмосферы, иначе будет происходить поглощение водяного пара. Избирательность адсорбции цеолитового насоса сказывается не только при поглощении водяного пара; так если откачивается атмосферный воздух, то ввиду худшей адсорбции цеолитом инертных газов относительное содержание последних (в основном аргона) в откачиваемом объеме заметно повышается. В отношении таких газов, как водород и гелий (с очень низкой точкой кипения), цеолит совсем неэффективен. Начальное давление насоса ничем не ограничивается, и он может начать работу с атмосферного давления. Предельное давление определяется адсорбционной емкостью адсорбента и зависит от количества ранее поглощенного насосом газа. С целью получения низких предельных давлений рекомендуется предварительная откачка объема до давления равного 10Па водоструйным или механическим насосом. Иногда в качестве насоса предварительного разрежения используют также другой адсорбционный насос. Из рис.1 видно, что с цеолитовым насосом можно осуществить так называемую безмасляную откачку (т.е. откачку без применение не только паромасляных, но и вращательных масляных насосов). В этом случае при откачке небольших объемов цеолитовый насос начинает работу с атмосферного давления и создает предварительное разрежение, например, ионно-сорбционного насоса; после этого цеолитовый насос перекрывается, а ионно-сорбционным насосом давление в объеме снижается до требуемого. В случаях больших объемов целесообразно облегчить условия работы цеолитового насоса и для грубого предварительного разрежения использовать подходящий безмасляный насос, например, водоструйный или пароводяной, оградив цеолитовый насос вымораживающей ловушкой от проникновения в него водяного пара, после чего уже вместо водяного насоса включается цеолитовый. Насос описанного типа может работать также на активированном угле, однако по сравнению с цеолитом активированный уголь имеет несколько худшую адсорбционную способность (а также взрывоопасен при соприкосновении с жидким воздухом). Ионные насосы. Насосы ионные , в которых откачка осуществляется за счет движения ионизированного газа в электрическом поле . В основе работы ионных насосов лежит ударная ионизация поступающего газа и придание образующимся положительным ионам направленного движения в сторону выпускного отверстия насоса . Ионные насосы требуют создания предварительного вакуума ( при помощи механических и пароструйных насосов ) . Отличительная особенность насосов , из-за которой и началась их разработка , заключается в том , что они для своей работы не требуют применения какой-либо рабочей жидкости ; их работа не сопровождается возникновением пленки сконденсировавшегося пара рабочей жидкости на внутренних поверхностях откачиваемого объема , что при некоторых работах , связанных с использованием высокого вакуума , является очень важным . Простейшей конструкцией насоса рис.1 служит цилиндрическая стеклянная трубка с двумя кольцевыми электродами , между которыми создается электрическое поле . Катод расположен в конце трубки , присоединяемом к насосу предварительного вакуума , анод- со стороны впускного отверстия . После снижения давления ( при помощи насоса предварительного вакуума ) между электродами трубки вследствие ударной ионизации электронами , ускоряемыми электрическим полем в направлении к аноду , возникают положительные ионы , направляющиеся к катоду ; отдавая катоду свой заряд , ионы превращаются в нейтральные молекулы , продолжающие свое движение за катодом в насос предварительного вакуума , которым они и удаляются окончательно за пределы вакуумной системы . Благодаря непрерывному перемещению ионов газа в сторону катода в трубке поддерживается давление , более низкое по сравнению с давлением в откачиваемом объеме , и газ из вакуумной системы непрерывно поступает в разрядную трубку . Работа насоса прекращается лишь с прекращением газового разряда . Эффективность описанного насоса очень мала , т.к. число образующихся при таком устройстве положительных ионов ( в единицу времени ) очень мало . Поэтому разработка более совершенных ионных насосов идет по пути создания достаточно мощного и устойчивого эмиттера электронов ( катода ) и возможно большего удлинения пути электронов ( от катода к аноду ) ,приводящего к большому числу их столкновений с молекулами газа , чтобы происходила интенсивная ионизация газа без необходимости в удлинении трубки насоса . Так же требуется разработка способов борьбы с явлениями , мешающими направленному ( в сторону выпускного отверстия ) движению положительных ионов ; эти помехи возникают в стеклянном ионном насосе , т.к. стенки его как непроводника заряжаются отрицательно и , следовательно , некоторая часть положительных ионов отклоняется ими от направления к катоду. Усовершенствованной конструкцией ионного насоса является металлический ионный насос .У него вместо стеклянной используется металлическая трубка , которая одновременно служит и корпусом насоса и анодом .Благодаря этому отпадают упомянутые выше помехи , связанные с возникновением отрицательных зарядов на стенках насоса , и между электродами можно устанавливать относительно невысокие напряжения ( 300-400 В) , благоприятные в отношении ионизации . Если насосом предварительного вакуума вблизи катода поддерживается давление 3*10- 5*10 Па , то насос может создавать в вакуумной системе давление 1*10- 6*10 Па. Криоконденсационные насосы. Действие крионасосов основано на физических явлениях, просходящих при низких температурах, а именно конденсации газов на охлаждаемых металлических поверхностях. Наиболее прост метод криоконденсации основанный на конденсацции газов на металлических поверхностях, охлажденных до температуры 20К и ниже. Охлажденная поверхность работает как насос для конденсирующихся при данных температурах газов. Схематично принцип криоконденсационной откачки показан на рис.1. Принципиальная конструктивная схема крионасоса, несмотря на все многообразие его выполнения, содержит как правило, четыре основных конструктивных элемента: криопанель, теплозащитный экран, охлаждающее устройство и корпус (рис.2). Криопанель является основной частью насоса и представляет собой поверхность, охлажденных до криогенных температур. Криопанели выполняют в виде дисков, цилиндров, змеевиков. Теплозащитный экран, выполненный, как правило, в виде жалюзийных решеток, обычно устанавливают между стенками корпуса и криопанелью и охлаждают до температур, промежуточных между температурой стенки корпуса и температурой криопанели. Поверхность экранов обрабатывают так, чтобы тепловая нагрузка на криопанель была минимальной. Система охлаждения служит для предварительного охлаждения криопанели от нормальной температуры до рабочей. Корпус предназначен для монтажа всех конструктивных элементов насоса. Условия существования криоконденсационной откачки, следует непосредственно из диаграммы состояния веществ при фазовых превращениях (рис.3). На диаграмме нанесены линии равновесного состояния фаз: линия ОВ соответствует равновесному состоянию парообразной и жидкой фаз; линия ОА -равновесному состоянию жидкой и твердой фаз; линия СО-равновесному состоянию парообразной и твердой фаз. Эти линии разделяют плоскость диаграммы на три области: область 1 соответствует газо- или парообразному состоянию вещества; область 2 - жидкой фазе; область 3 - твердой фазе. Точку В называют критической: в области, расположенной выше этой точки, стирается различие между жидким и газообразным состоянием, и при температуре выше критической вещество может находиться только в газообразном состоянии. Точка О, называемая тройной, соответствует равновесному состоянию трех фаз: газообразной, жидкой и твердой. Направление криооткачки на диаграмме показано прямой еd. Физические свойства криоосадка существенно зависят от условий, при которых происхидит конденсация газов в твердое состояние. Эффиктивность процесса криоконденсационной откачки во многом зависит от того, как быстро могут быть переданы тепловые нагрузки через слой криоосадка, т.е. от его теплопроводности. Основные характеристики крионасосов- предельное остаточное давление, быстрота действия и ресурс работы. Предельное остаточное давление насоса, т.е. давление р1, Па, во входной полости насоса немного выше давления насыщенных паров р2 при температуре конденсирующей поверхности Тn: где Тc- температура стенки. Ресурс конденсационного насоса определяется допустимой толщиной конденсата. Толщина слоя конденсата : Быстрота действия криоконденсационного насоса S, дм/с, ,зависит от проводимости теплозащитного экрана Uэ,дм/с : где S- скорость конденсации на криопанели. Магнитные электроразрядные насосы. В магнитных электроразрядных насосах разряд в скрещенных электрическом и магнитном полях (разряд Пеннинга) используют как для ионизации газов, так и для распыления геттерного материала катодов. Схема простейшего диодного насоса показана на рис. 1. В немагнитном корпусе насоса размещена электродная система, состоящая из электроизолированного многоячеистого анода и катодных пластин, установленных перпендикулярно вектору напряженности магнитного поля, создаваемого магнитами. Электрическое поле создается электродами и пространственным зарядом, движущейся внутри ячейки плазмы, возникающей в результате ионизации газа и вторичной эмиссии электронов из – за ионной бомбардировки катодных пластин при горении самостоятельного тлеющего разряда. Ионная бомбардировка катодов вызывает распыление геттера, при этом непрерывно возобновляемая пленка распыляемого титана сорбирует молекулы газа, попавшие на ее поверхность. Рис 1. Схема диодного электроразрядного насоса. 1 – анод; 2 – катод; 3 – корпус; 4 – постоянные магниты; 5 – токоввод Чем выше давление газа, тем интенсивнее распыляется титан и поглощается газ; понижение давления уменьшает ионный ток и расход распыляемого титана. Таким образом, автоматически регулируется скорость распыления катодов, что обеспечивает экономное расходование геттера и длительный ресурс работы. Механизм откачки газов в электроразрядных насосах во многом сходен с механизмом, определяющем работу испарительных геттерных насосов, но интенсивная ионизация и диссоциация молекул откачиваемого газа в газовом разряде дают возможность использовать возможность использовать насосы этого типа как эффективное средство откачки инертных газов и углеводородов. Относительная быстрота откачки, %, наиболее часто встречающихся газов (за 100 % принята быстрота действия насоса по воздуху): Водорода ………………………………………………270 Дейтерия ………………………………………………190 Легких углеводородов………………………………90 - 160 Азота …………………………………………………..100 Паров воды ……………………………………………100 Гелия ……………………………………………………10 Кислорода ………………………………………………57 Рассматриваемые насосы имеют высокую надежность, большой срок службы (нет накаленных и движущихся частей), просты в эксплуатации, бесшумны в работе и не выходят из строя при аварийном попадании атмосферы в вакуумную систему. Насосы позволяют оценивать давление в системе по току заряда. Они работают в области высокого и сверхвысокого вакуума и дают возможность получать предельное остаточное давление ниже 10-9 Па. Сверхвысокие магнитные электроразрядные насосы НМД-01-3 и НМД–0,25-3 предназначены для без масляной откачки электровакуумных приборов, ускорителей, установок вакуумного нанесения тонких пленок и в технике физического эксперимента. На рис. 2 приведена зависимость давления быстроты откачки воздуха, в табл. 1– технические характеристики насосов (смотри приложение). Рис. 2 Зависимость давления быстроты откачки воздуха насосами; а – НМД – 0,1 – 3; б - НМД – 0,25 - 3; Магнитные электорразрядные агрегаты ЭРА – 100 –2, ЭРА – 300 – 2 и ЭРА – 250, разработанные на базе насосов серии НМД предназначены для безмаслянной откачки небольших технологических вакуумных установок от атмосферного давления до сверхвысокого вакуума. Для откачки атмосферного давления до 1 – 0,1 Па применяются цеолитовые насосы. При откачке больших обьемов основное колличество газа удаляется механическим форвакумным насосом, присоединенным к агрегату через сорбционную ловушку. Технические характерристики агрегатов приведены в табл. 2. Магнитные электроразрядные насосы серии НМДО (рис. 3) отличаются от насосов НМД спосбностью устойчиво откачивать газы в широком ддиапазоне давлений, а также повышенным давлением пуска, которое достигнуто в результате охлаждения водой заземленного анодного блока. Технические характерристики этих насосов приведены в табл. 2. Рис. 3 Схема охлаждаемого насоса НМДО – 0,01 – 1 1 – корпус; 2 – катод; 3 – анод; 4 – трубка водного охлаждения; 5 – экранированный изолятор; 6 – ввод воды; 7,9 – электрический ввод; 8 – внутренний нагреватель; 10 – магнитный блок Откачные характеристики магнитных электроразрядных насосов обычно рассчитываются с помощью эмпирической зависимостей, полученных на основе экспериментальных данных. В эти зависимости входят напряжение питания и интенсивность разряда, которая является функцией всех параметров разряда, рода газа, материала катода, магнитного поля и геометрии ячейки. Для расчета основных параметров насоса можно использовать следующие приближенные эмпирические зависимости: 172,56·105 · l · d2·B·p0,2· (1 - ); ( 1 ) 3,125 · · l · · ( H·d - ) · (1 – е-250d); ( 2 ) 1,5 · 107·B2 · d2 · l; ( 3 ) где - быстрота действия по азоту одной разрядной ячейки Пеннинга, дм3/с; l – высота анодной ячейки (l = 0,005 …0,03 м); d – диаметр анодной ячейки (d = 0,01…0,05 м); В – магнитная индукция (В = 0,1 …0,2 Т); р – рабочие давление (р = 10-4 …10-7 Па); Uа – анодное напряжение (Uа = 3000 …7000 В); Н – напряженность магнитного поля (Н = 80000 … 150000 А/м). Формулы ( 1 ) – ( 3 ) применимы при отношении l / b = 0,2 …0,9, где b – рассояние между катодами, м. В реальных магнитных электроразрядных насосах электродный блок состоит из n ячеек, соединенных параллельно и находящихся под одним анодным напряжением. Быстрота действия n ячеек Sn = n · S’ ( 4 ), уменьшается до значения Sэф из-за уменьшения проводимости вследствии наличая зазора между анодом и двумя катодами: Sэф = Sn · ( 4 ) где D = ; A – ширина электродного блока (А = 0,01…0,20 м.); L – длина электродного блока (L = 0,01 …0,40 м.); k – коэффициент (k = 1, если доступ к электродному блоку открыт с одной стороны; k = 0,5, если блок открыт с двух сторон); - зазор между анодом и одним из катодов ( = 0.0025…0,0100 м.). Для электропитания магнитных электроразрядных насосов используют обычно выпрямители с напряжением от 3 до 7 кВ с ограничением тока короткого замыкания, чтобы предотвратить дуговой разряд в насосе. Для эффективной работы насоса к разрядной системе следует подводить оптимальную мощность. При повышении оптимальной мощности электроды насоса разогреваются, и поток газовыделения превышает поток сорбции, поэтому система электродный блок – блок питания должна иметь определенную вольт - амперную характеристику. Подбор формы вольт – амперной характеристики существен для рабочих давлений до 10-4 Па. При меньших давлениях питание насоса может обеспечиваться при любой форме этой характеристики. 2.2.2. Вакуумные ловушки Ловушки представляют собой устройства, предназначенные для улавливания паров или газов с целью предотвращения или уменьшения их проникновения из одной части вакуумной системы в другую. В зависимости от рабочего давления ловушки подразделяют на высоковакуумные и форвакуумные. Высоковакуумные ловушки предназначены для улавливания паров рабочих жидкостей из диффузионных пароструйных насосов при молекулярном режиме течения пара из насосов, форвакуумные – для улавливания паров рабочих жидкостей форвакуумных насосов при вязкостном и молекулярно-вязкостном режимах течения пара из насосов. Обратным потоком называют поток паров рабочей жидкости, который поступает из насоса в откачиваемый сосуд. Обычно обратный поток определяется как масса пара рабочей жидкости, поступающей в откачиваемый сосуд за единицу времени с единицы поверхности входного отверстия, и выражается в кг/(м2·с) Основными техническими параметрами ловушки являются ее защитная способность и удельная проводимость. Защитной способностью ловушки βлов называется отношение массовых потоков паров рабочей жидкости, поступающих из насоса в откачиваемый сосуд с ловушкой и без нее. Удельной проводимостью ловушек Uуд. лов называется отношение проводимости ловушки Uлов к площади ее входного отверстия А: Uуд. лов= Uлов/ А. 2.2.2.1. Азотные ловушки Работа паромасляного насоса сопровождается непрерывной миграцией паров жидкости из насоса в откачиваемый объем. Обратный поток масел в паромасляных насосах может достигать значительных величин, что совершенно недопустимо при проведении целого ряда процессов, в том числе и технологического процесса нанесения оптических покрытий. Поэтому необходимо применять средства защиты откачиваемого объема от загрязнений парами рабочей жидкости и продуктами разложения. Рис. 2.10. Металлическая заливная ловушка. Рис. 2.10. Металлическая заливная ловушка Наиболее эффективными ловушками для данного типа насосов оказались вымораживающие ловушки. В качестве хладагента обычно используют жидкий азот (имеющий температуру 77 К). Азотные ловушки не только более надежно предотвращают проникновение паров рабочей жидкости в откачиваемый сосуд, но и улавливают пары и газы, имеющиеся в откачиваемом сосуде, тем самым снижая давление в нем. На рис.2.10 представлена металлическая заливная ловушка, которая представляет собой корпус 1, в который помещены экран 3, вымораживающее устройство 2 и резервуар 4 с жидким азотом, заливаемый вручную. Масло может мигрировать также по стенкам ловушки, причем скорость миграции тем больше, чем выше температура стенок. Для устранения этого явления низкотемпературные ловушки снабжаются специальными антимиграторами 5, представляющими тонкостенные кольца, изготовленные из материала с малой теплопроводностью, иногда такой материал не смачивается маслом. Азотные ловушки имеют высокую защитную способность (более 105) и при работе с паромасляными диффузионными насосами обеспечивают спектр остаточных газов в откачиваемой системе, свободный от тяжелых углеводородов. 2.2.2.2. Водоохлаждаемые ловушки Водоохлаждаемые ловушки используют для уменьшения обратного паров рабочих жидкостей форвакуумных насосов при вязкостном и молекулярно-вязкостном режимах течения. Положительный эффект достигается за счет конденсации молекул на защитных элементах механических ловушек, охлаждаемых проточной водой. Для осуществления откачки через ловушку защитные элементы располагаются с некоторым зазором друг от друга, но таким образом, чтобы создавалась оптически плотная конструкция, т.е. чтобы из плоскости выходного отверстия ловушки ни под каким углом не просматривалось ее входное отверстие. 2.2.3. Запорно-регулирующая аппаратура Коммутационная аппаратура (краны, затворы, клапаны, золотники, натекатели) являются одним из важных элементов вакуумных систем. Запорно-регулирующая система представляет собой комплекс функциональных средств вакуумных систем, предназначенных для перекрытия газовых потоков, дозирования потоков вакуумных системах и камерах, аварийной защиты вакуумных систем при разгерметизации, коммутационной последовательной откачки и т.д. Для перекрытия газовых потоков используют вакуумные клапаны и затворы, основными эксплуатационными характеристиками которых являются: 1. Высокая герметичность. Особые жесткие требования по герметичности предъявляются к аппаратуре, применяемой в системах высокого и сверхвысокого вакуума. Высокая герметичность коммутационной аппаратуры должна быть обеспечена не только по отношению к внешней среде, но и между седлом (корпусом) и запирающим элементом (клапаном) в закрытом положении. Степень герметичности, определяемая потоком натекания газа через уплотнительную пару и составляющая в зависимости от эксплуатационных требований 10-7…10-11 Па·м3/с. 2. Максимальная проводимость в открытом положении, определяемая отношением потока Q газа, проходящего через полость вакуумного клапана, к разности давлений p1-p2 в его входном и выходном отверстиях. Для аппаратуры, работающей при молекулярном режиме течения газа, это требование лучше всего обеспечивается созданием прямоточных конструкций, оказывающих наименьшее сопротивление потоку откачиваемого газа. 3. Минимальное газовыделение внутренних поверхностей аппаратуры. Необходимо исключить применение смазок и уплотнений с высокой упругостью паров. Конструкция аппаратуры должна быть разборной и не должна иметь недоступных для промывки мест и трудно откачиваемых карманов. 4. Незначительная адсорбция газов внутренними поверхностями аппаратуры. Аппаратура должна быть защищена от коррозии или должна изготавливаться из некорродирующих материалов. 5. Аппаратура, предназначенная для работы в системах сверхвысокого вакуума, должна допускать с целью ее обезгаживания возможность многократного прогрева до температуры 600 – 1000 К. 6. Для работы в автоматизированных вакуумных системах коммутационная аппаратура должна иметь устройство для дистанционного управления с сигнализацией состояния аппаратуры (открыто – закрыто). 7. Аппаратура должна иметь гарантированное число рабочих циклов (открытий – закрытий) не менее 25000. 2.2.4. Разборные вакуумные соединения Разборные вакуумные соединения относятся к числу наиболее ответственных узлов любой вакуумной системы. Это связано с тем, что потеря вакуумной плотности вакуумной системы чаще всего вызывается разгерметизацией разборного соединения. При выборе конструкции разборного соединения для работы в конкретной вакуумной системе необходимо руководствоваться следующими характеристиками: 1. Натеканием, т.е. количеством газа, протекающего в единицу времени в вакуумный сосуд между поверхностями уплотнителя и элементом соединения, а также за счет проницаемости газа через материал уплотнителя. 2. Газовыделением с поверхностей уплотнителя и элементов соединения, соприкасающихся с вакуумным сосудом. 3. Механической прочностью соединения. 4. Термической стойкостью, т.е. способностью выдерживать многократные нагревы и охлаждения без нарушения герметичности. 5. Химической стойкостью. 6. Легкостью монтажа и демонтажа соединения и степенью сложности его изготовления. 7. Простотой проверки герметичности. В разборных вакуумных соединениях в зависимости от предъявляемых требований к разрежению в вакуумной системе могут быть использованы как неметаллические, так и металлические уплотнители. Разъемные соединения с неметаллическими уплотнителями. Соединения с неметаллическими уплотнителями (резинами) просты в изготовлении и надежны в эксплуатации, но имеют ограниченную термическую стойкость и, как правило, повышенное газовыделение уплотнителя, вследствие чего применяются в непрогреваемых вакуумных системах при давлении не меньше 5·10-5 Па. При конструировании разборного соединения с неметаллическими уплотнителями необходимо учитывать следующие общие требования: 1) резиновый уплотнитель не должен воспринимать механические нагрузки и влиять на точность установки деталей; 2) для достижения вакуумной плотности соединения резиновый уплотнитель в зависимости от твердости материала не должен быть сдеформирован по своей толщине на 20 – 40 %; 3) резины практически несжимаемы, т.е. при деформации их объем остается постоянным. Поэтому сечение канавки под уплотнитель должно быть на 2 –5 % больше, чем сечение уплотнителя; 4) фланцы разъемного соединения рекомендуется затягивать до соприкосновения металлических поверхностей; 5) поверхность резинового уплотнителя, обращенная в вакуумную полость, должна быть сведена к минимуму. Разъемные соединения с металлическим уплотнителем. Соединения с металлическими уплотнителеми предназначены для применения в прогреваемых вакуумных системах с давлением меньше 5·10-5 Па и должны выдерживать длительные и многократные прогревы до температуры 600 –900 К во время обезгаживания. В конструкциях прогреваемых разъемных соединений уплотнение достигается путем пластической деформации уплотняющей металлической прокладки. При пластической деформации материал заполняет все имеющиеся на поверхностях уплотняющих фланцев микронеровности. Вследствие того, что текучесть металлов по сравнению с резинами невысока, необходимо уплотняющие поверхности фланцев изготавливать с малой шероховатостью. Для уплотнения соединения с металлической прокладкой требуется значительно большие удельные давления, чем в случае уплотнения с резиновой или фторопластовой прокладками. Металлические уплотнители практически, исключают проникновение газов через материал уплотнителя, а газовыделение их примерно в 1000 раз меньше, чем у лучших сортов вакуумных резин. 2.2.5. Приборы измерения полного давления разреженного газа Неотъемлемой частью любой вакуумной системы является аппаратура для измерения давления разреженного газа. Приборы для измерения давления газа ниже атмосферного называются вакуумметрами. Большинство вакуумметров состоит из двух элементов: манометрического преобразователя сигнала давления в электрический сигнал и измерительного блока. В литературе и промышленности употребляется также термин «манометр», применяемый к преобразователю давления. Рассматривая принципиальные схемы установок с масляной и безмасляной системы откачки, подробнее остановимся на принципах действия теплового и магнитного электроразрядного вакуумметров. Оба типа вакуумметров относятся к приборам косвенного действия, такие вакуумметры измеряют физические величины, связанные с давлением определенными функциональными зависимостями (силу тока, напряжение, ЭДС, частоту и др.). Отсчет давления (выходной сигнал) у вакуумметров косвенного действия зависит от состава газа и его температуры. 2.2.5.1. Тепловые вакуумметры Тепловые вакуумметры нашли широкое применение для измерения давлений от 105 до 0,1 Па. Принцип действия тепловых вакуумметров основан на зависимости теплопроводности газа от давления. При низких давлениях, когда средняя длина свободного пути молекул больше среднего расстояния между нагретым телом и стенками манометрического преобразователя, теплопроводность газа пропорциональна давлению. При более высоких давлениях, когда средняя длина свободного пути молекул значительно меньше среднего расстояния между нагретым телом и стенками преобразователя, теплопроводность газа не зависит от давления. В области промежуточных давлений передача тепла увеличивается с ростом давления до постоянного значения. Манометрические преобразователи тепловых вакуумметров по принципиальному устройству делятся на две большие группы: сопротивления и термопарные. Из данных двух типов тепловых вакуумметров наиболее широкое распространение получили термопарные вакуумметры. Термопарный вакуумметр (рис.2.11) состоит из манометрического преобразователя и измерительного блока. Манометрический преобразователь 1 представляет собой стеклянный или металлический баллон, подключаемый открытым концом к вакуумной системе. В баллон вмонтирован платиновый или никелевый подогреватель 2 и термопара 3, изготовленная из хром-копеля или хромель-алюмеля. Термопара и подогреватель сварены через перемычку П. Подогреватель нагревается током, который регулируется реостатом 4 и измеряется миллиамперметром. Спай термопары, нагреваемый от подогревателя, является источником ЭДС, которая измеряется милливольтметром. Рис. 2.11. Термопарный вакуумметр Принцип действия термопарного вакуумметра заключается в следующем. Теплопроводность разреженного газа зависит от плотности, т.е. количества молекул в единице объема, способных при своем движении переносить тепло. Если ток подогревателя поддерживать постоянным, то с изменением давления будет меняться теплопроводность газа, а, следовательно, температура спая. Изменение температуры спая приводит к изменению ЭДС, по значению которой судят о давлении. Например, с уменьшением давления плотность и теплопроводность газа уменьшится, а температура спая и ЭДС будут увеличиваться. Тепловые вакуумметры нашли широкое применение в вакуумной технике и охватывают диапазон давления от 10 Па до атмосферного. Отдельные приборы измеряют давление от 10 Па . Тепловые вакуумметры просты по конструкций и надежны в работе. Манометрические преобразователи тепловых вакуумметров не боятся прорыва атмосферы и имеют практически неограниченный срок службы. Принцип действия основан на зависимости теплопроводности газа от давления. Давление измеряют косвенным методом, т.е. измеряют какую-либо физическую величину, зависящую от тепловой энергии, отводимой газом от чувствительного элемента вследствие теплопроводности. Вид зависимости этой физической величины от давления устанавливают экспериментально в результате градуировки вакуумметра по образцовому средству измерения. Градуировочные характеристики тепловых вакуумметров не линейны. Зависимость теплопроводности от рода газа обуславливает зависимость показаний тепловых вакуумметров от рода газа . Давление различных газов Рг , Па , рассчитывают по показаниям вакуумметра , отградуированного по воздуху (азоту ) , согласно формуле : Рг=Рв / q , где q- коэффициент относительной чувствительности вакуумметра , зависящий от рода газа . Тепловые преобразователи по принципиальному устройству делятся на 2 группы : сопротивления и термопарные. Конструкция манометрического преобразователя сопротивления теплового вакуумметра представляет собой стеклянную или металлическую трубку по оси которой натянута нить , нагреваемая пропусканием тока. Подводимая к нити электрическая энергия расходуется на нагрев газа , излучение и отвод тепла через электрические вводы. Существуют 2 способа измерения давления тепловыми вакуумметрами : при постоянном токе нагрева чувствительного элемента и при постоянной температуре нити . Мерой давления при методе постоянной температуре является ток нагрева , напряжение или электрическая мощность , подводимые к нити ; при методе постоянного тока - температура нити , которую определяют по ее сопротивлению ( манометры сопротивления ) , с помощью термопары ( термопарные манометры ) , по изменению натяжения нити , по изменению линейных размеров или углу изгиба чувствительного элемента . Режим постоянства тока накала используется при работе с термопарными преобразователями . На рис. 1 показано устройство преобразователя ПМТ-2 . В стеклянной колбе 1 на никелевых вводах закреплен платиновый нагреватель 2 , к средней точке которого подсоединена хромелькопелевая термопара 3 . Постоянство тока накала реализуется при питании нагревателя большим напряжением , ограниченным балластным резистором . При изменении давления меняется температура нагревателя , а следовательно , и термо-э.д.с. термопары , по величине которой оценивается давление. Точность измерения давления термопарными преобразователями зависит от правильного подбора тока накала нагревателя . Измерение повышенных давлений ограничивается тем , что температура нагревателя резко снижается и чувствительность становится недостаточной . Для расширения диапазона в сторону высоких давлений увеличивают рабочий ток нагревателя . В режиме постоянства тока накала преобразователей ПМТ-2 и ПМТ-4М , устанавливаемого при высоком вакууме и термо-э.д.с. 10 мВ , работают вакуумметры ВИТ-2 и ВИТ-З . В вакуумметре ВТ-2А реализованы оба режима термопарных преобразователей . Он состоит из трех основных блоков : феррорезонансного стабилизатора напряжения , блока питания преобразователя , блока измерения тока накала и термо-э.д.с. . Стабилизированное и выпрямленное напряжение подается на нить нагревателя через балластный резистор , превышаюший сопротивление нагревателя в 80-100 раз . В результате ток нагревателя преобразователя весьма стабилен и практически не требует подстройки при изменении давления по всему диапазону . Режим постоянства температуры ( термо-э.д.с. сопротивления ) . Этот режим используется для измерения высоких давлений . Работа в этом режиме затруднена из-за необходимости стабилизации слабого сигнала , имеющего величину порядка милливольта , когда собственные флюктуации усилителя превышают допустимую нестабильность термо-э.д.с. . Преобразователь работает в режиме постоянства сопротивления нагревателя 116,5 Ом , при этом температура нагревателя 473 К . Преобразователь включен в одно из плеч моста сопротивлений генератора переменного тока . Изменение сигнала генератора , свидетельствующее о изменении давления , регистрируется стрелочным прибором . На показания тепловых вакуумметров значительно влияет загрязнение чувствительного элемента ( например , парами масла ) и температура баллона . Существенной эксплуатационной характеристикой является быстрота действия . 2.2.5.2. Магнитные электроразрядные вакуумметры Для измерения давления в диапазоне 102 – 10-11 Па применяют магнитные электроразрядные вакуумметры (рис. 2.12). Принцип работы магнитного электроразрядного вакуумметра основан на ионизации газа электронами, возникающими при самостоятельном тлеющем разряде. Манометрический преобразователь состоит из металлического корпуса 1 – катода, из металлического кольца 2 – анода. Вдоль оси анода постоянным магнитом создается магнитное поле. Через балластный резистор R на анод подается высокий положительный потенциал (3 кВ). При достаточно низком давлении газа между анодом и катодом возникает самостоятельно тлеющий разряд. Совместное действие электрического и магнитного полей удлиняет путь электронов и увеличивает вероятность ионизации молекул остаточного газа. Рис. 2.12. Магнитный электроразрядный вакуумметр Образовавшиеся при ионизации положительные ионы перемещаются к катоду и нейтрализуются на нем. Положительные ионы обладают значительной энергией и, попадая на катод, выбивают из него вторичные электроны, которые, двигаясь к аноду ионизируют газ. Балластный резистор R предотвращает переход тлеющего разряда в дуговой. Ток положительных ионов и ток вторичных электронов в сумме численно равны электронному току в цепи анода, который в достаточно широком диапазоне зависит от давления. Таким образом, ток разряда является мерой давления остаточных газов. Магнитные электроразрядные вакуумметры удобны тем, что не содержат катодов, нагретых до высоких температур, поэтому не окисляются на воздухе и их можно включать при любом давлении разреженных газов. агнитный электроразрядный вакуумметр имеет следующий рабочий диапазон давлений: от 100 до 10-12 Па(средний вакуум, высокий вакуум, сверхвысокий вакуум). В датчиках магнитных электроразрядных ваккумметров используется зависемость разрядного тока в анодно-катодном промежутке от давления. Магнитный электроразрядный датчик представляет собой двухэлектродную систему, состоящую из катода и анода (рис.1). На анод подается высокое напряжения через балластное, ограничивающее сопротивление. Балластное сопротивление автоматически снижает разность рабочих напряжений на электродах датчика при высоких давлениях, предотвращая тем самым возможность появления дугового разряда в межэлектродном промежутке. Вдоль оси прибора прикладывается постоянное магнитное поле с индукцией 0,05-0,2 Тл., которое стабилизирует плазму в разрядном промежутке и повышает чувствительность преобразователя. Если в близи катода по каким-либо причинам появляется электрон, то под совместным действием электрического и магнитных полей он будет двигаться к положительно заряженному аноду по удлиненной траектории. При этом повышаются вероятность соударения электронов с молекулами остаточного газа и их ионизация. При ионизации образуются положительные ионы, которые перемещаются к катоду и нейтрализуются в нем. Обладая значительной энергией, положительные ионы при встрече с катодом выбивают из его материала вторичные электроны , которые, двигаясь к аноду, также проводят ионизацию газа. Ток положительных ионов на катоде и ток вторичных электронов с него в сумме численно равны электронному току в цепи анода. В результате ионизации газа возникает электрический разряд, ток которого в достаточно широком диапазоне не зависит от давления . Зависемость тока разряда Ip в преобразователе от давления газа P может быть выражена формулой: Ip= где UXX- напряжение холостого хода источника питания преобразователя; UO- минимальное напряжение между электродами преобразователя при наибольшем измеряемом давлении; RB- сопротивление внешнего балластного резистора; к- чувствительность преобразователя; n- показатель степени, обычно n= 0,9-1,15. Большим плюсом является то, что магнитные электроразрядные преобразователи не содержат в своей конструкции накаленных деталей, вследствие чего не боятся окисления и могут включаться при любом давлении в системе. Минусом является то, что при измерении давлении электроразрядными вакуумметрами наблюдается эффект откачки газов самим датчиком, обусловленный сильным электрическим поглощением газа в объеме прибора. Откачивающее действие датчика изменяет давление в системе, а при наличии трубопровода с малой пропускной возможностью между испытуемым объемом и датчиком может исказить результаты измерения. При высоких давлениях наблюдается катодное распыление материала под влиянием бомбардировки катода интенсивным хорошо сфокусированным пучком ионов. Это приводит к запылению электродов и изоляторов датчика и, следовательно, также искажает результаты измерения давления. Работа датчика в среде, содержащей пары и масла или другие органические вещества, сопровождаются крекингом последних, продукты крекинга конденсируются на электродах и изоляторах, что нарушает нормальную работу датчика. Для предотвращения загрязнения датчиков обычно применяют охлаждаемые ловушки. В силу большой устойчивости преобразователей к внешним воздействиям и простоты эксплуатации магнитные электроразрядные вакуумметры нашли широкое распространение для блокировки управления технологическими процессами. Магнитные электроразрядные преобразователи можно классифицировать по взаимному направлению электрического и магнитного полей на две большие группы: 1) преобразователи с параллельными электрическими и магнитными полями (преобразователи Пеннинга); 2) преобразователи соскрещивающимеся полями. Здесь в свою очередь возможны две разновидности преобразователей: • магнетронные; • инверсно-магнетронные. На рис.2 показаны принципиальные схемы преобразователей всех типов и траекторий движения электронов в них. Для всех магнитных электроразрядных преобразователей характерно то, что прямой полет электрона на анод запрещен благодаря применению значительного по величине магнитного поля. В преобразователе с параллельными электрическим и магнитным полями (рис.2а) доминирует возвратно-поступательное движение электронов вдоль оси, причем по мере приближения к аноду электрон приобретает одновременно циклоидальный характер движения. В магнетронной и инверсно-магнетронной конструкциях электрон движется по циклоиде и гипоциклоиде (рис.2 б, в). На рис3 показано устройство магнитного электроразрядного преобразователя ПММ-32-1 инверсно-магнетронного типа, измеряющего давление в диапазоне 10-7- 1 Па. Электродная схема преобразователя состоит из анода центрального стержневого электрода 1, являющегося продолжением из вводов, и катода. Роль катода выполняет цилиндрический магнит 3 с полюсными наконечниками 4. На анод подается напряжение 2500 В через балластный резистор 1,1 Лом. Полезный сигнал - разрядный ток измеряется в цепи катода. Для измерения предельно низких давлений вплоть до 10-11 Па разработан вакуумметр ВИМ-2 с преобразователем ПММ-14М, который показан на рис.4. Электродная система преобразователя состоит из цилиндрического катода 1, экрана 2 и проволочного анода 3. Ток, протекающий через катод, который также является коллектором ионов, пропорционален величине измеряемого давления. Вдоль оси электродной системы магнитом создается магнитное поле значительной индукции до 0,18 Тл. На аноде преобразователя через балластный резистор 5 Мом подается постоянное напряжение 6 кВ. Для работы в системах с повышенным содержанием высокомолекулярных соединений разработан электроразрядный самоочищающийся преобразователь ПММ-28, работающий с вакуумметром ВЭМБ-1 (рис. 5). На центральные кольцевые электроды подается в противофазе переменное напряжение. В прямоугольной камере 3 преобразователя ПММ 28 установлены два электроизолированных кольцевых электрода 1. На камеру надет постоянный магнит 2. В патрубке преобразователя установлен маслоотражатель 4. Распределение потенциалов между электродами преобразователя таково, что в каждый полупериод напряжение между кольцевым электродом и ближней к нему пластины коллектора создается соотношение электрического и магнитного полей, характерное для манометрического преобразователя Пеннинга. В результате в каждой полукамере горит разряд. Образующиеся ионы частично уходят на коллектор, а частично на другой кольцевой электрод, находящийся под большим отрицательным потенциалом, т.е. в каждый полупериод одно из колец работает как анод, а другой подвергается сильной ионной бомбардировке и, следовательно, очистке. Наиболее эффективна очистка при давлении 10-1 - 1 Па. 2.3. Теоретические основы процесса откачки 2.3.1. Основные определения вакуумной техники На рис.2.13 , изображена схема простейшей вакуумной системы, состоящей из откачиваемого сосуда 1, трубопровода 2, вентиля 3, служащего для перекрывания трубопровода и отсоединения (отключения) насоса от сосуда. Рис. 2.13. Схема простейшей вакуумной установки Рассмотрим стационарный процесс откачки вакуумной системы, когда давление в любой точке, несмотря на откачку, сохраняется неизменным во времени (убыль газа из сосуда восполняется, например за счет натекания и газоотделения). Стационарным течением газа называется такое, когда давление и поток неизменны во времени, а режим течения газа одинаков по всей длине трубопровода. При работе насоса газ поступает из сосуда через трубопровод в насос и выбрасывается в атмосферу, причем поток газа Q’i, (м3  Па/c) одинаков во всех сечениях системы. Поток газа в любом сечении равен произведению давления pi (Па) в этом сечении на объем газа Si, (м3/c), проходящий через это сечение в единицу времени: Q’i= pi Si=const. (2.1) Опыт показывает, что давление в системе, оставаясь в любом сечении неизменным во времени, меняется от сечения к сечению. Давление (pн) на входе насоса остается меньшим, чем давление (p) в сосуде, а давления в промежуточных сечениях коммуникации имеют промежуточные значения, уменьшаясь по направлению к насосу. Неравенство давлений на концах вакуумной коммуникации (pнp2), Па.; Q’ – поток газа, м3  Па/c. Вместо сопротивления в вакуумной технике часто применяется обратная величина – проводимость. Проводимость U элемента вакуумной коммуникации называется поток газа через этот элемент, приходящийся на единицу падения давления на элементе: [м3/c], (2.3) Рассмотрим течение газа во впускном патрубке насоса. Соотношение (2.1), определяющее поток газа, одинаковый при стационарном режиме для всех сечений вакуумной системы, для впускного патрубка насоса может быть записано как Q’=pнSн, (2.4) где Sн – объем газа, входящий за единицу времени в насос при неизменном давлении на входе. Эта величина называется быстротой откачки насоса и играет большую роль при конструировании и эксплуатации вакуумных систем; pн – давление во впускном патрубке насоса. Быстротой действия вакуумного насоса Sн при данном впускном давлении насоса pн называется объем газа, поступающий в работающий насос в единицу времени при этом давлении. Из (2.4) следует: , (2.5) Формулу (2.5) можно применить к любому сечению вакуумной системы; это сечение можно рассматривать как насос для предшествующей части системы. На практике наибольший интерес представляет так называемая эффективная быстрота откачки (Sэ), с которой насос, обладающий быстротой откачки (S), откачивает сосуд, присоединенный к насосу через коммуникацию с сопротивлением W. Быстротой откачки сосуда или эффективной быстротой откачки Sэ называется объем газа, поступающий в единицу времени из сосуда в трубопровод при данном давлении p в откачиваемом сосуде. 2.3.2. Сопротивление и проводимость сложного вакуумного трубопровода Как правило, вакуумные системы включают в себя затворы, ловушки, краны и трубопроводы с различными по длине поперечными сечениями. В то же время известные аналитические выражения позволяют рассчитывать проводимости лишь для отрезков трубопроводов с постоянным или плавно меняющимися поперечным сечением. Проводимость сложных трубопроводов рассчитывается следующим образом: 1) если участки трубопровода с различными поперечными сечениями и длинами соединены последовательно, то рассчитывается порознь значения проводимостей отдельных участков, а общая проводимость сложного трубопровода или его сопротивление определяется по формулам: ;, (2.6) Здесь Wпосл и Uпосл – результирующие сопротивление и проводимость нескольких элементов, соединенных последовательно; Wi и Ui – сопротивление и проводимость отдельных элементов. 2) если участки трубопровода с различными поперечными сечениями и длинами соединены параллельно, то отдельные участки также рассчитываются порознь, а общая проводимость сложного трубопровода или его сопротивление определяется по формулам: ;, (2.7) Здесь Wпарал и Uпарал – результирующие сопротивление и проводимость нескольких элементов, соединенных параллельно; Wi и Ui – сопротивление и проводимость отдельных элементов. 2.3.3. Основное уравнение вакуумной техники Поскольку в вакуумной системе поток Q’i газа одинаков во всех сечениях системы из (2.1) и (2.3) следует: Q’=Sн pн=Sэ p=U(p-pн), где p – давление в сосуде; U – проводимость всего трубопровода. , , Поделив обе части последнего равенства на SU , получим: , (2.8) Преобразовав (2.8), получим: , (2.9) Влияние проводимости всей вакуумной системы и быстроты откачки насоса на эффективную быстроту откачки сосуда можно рассмотреть, поделив числитель и знаменатель один раз на U, другой раз на Sн: , (2.10) , (2.11) Формула (2.10) свидетельствует о том, что эффективная быстрота откачки сосуда всегда меньше быстроты откачки насоса и что Sн=Sэ только при U = , что никогда не достигается. Кроме того, как видно из формулы (2.11), эффективная быстрота откачки не может превысить величину пропускной способности коммуникации. Если U≥S, то из (2.10) видно, что Sэ≈Sн, т.е. эффективная быстрота откачки определяется насосом. Если U«Sн, т.е. эффективная быстрота откачки определяется коммуникацией. На практике величина U находится обычно между этими пределами. 2.3.4. Квазистационарный процесс, расчет длительности откачки при постоянном газовыделении и натекании Понятия быстроты откачки, сопротивления и проводимости были введены при рассмотрении стационарного процесса откачки, когда поток газа через систему и давление в каждой точке системы остается неизменным и во времени. На практике же при работе вакуумных систем приходится иметь дело с довольно продолжительными периодами действия нестационарного, неустановившегося течения газов, когда изменяются как давления во всех точках системы, так и поток газа. С изменением давления меняются, быстрота откачки насосов и пропускная способность вакуумной коммуникации. Строгое рассмотрение задачи об откачке газа из сосуда при нестационарном процессе откачки требует применения специального математического аппарата. Однако в практике для элементарных расчетов обычно пользуются предположением о квазистационарном процессе откачки, понимая под этим, процесс, нестационарный для вакуумной системы в целом, в коммуникации мало отличается от стационарного. Квазистационарным течением газа называют такое, при котором разность давлений на концах трубопровода мала по сравнению со средним давлением в нем, объем трубопровода значительно меньше объема откачиваемого сосуда; в трубопроводе в каждый момент времени существует только один режим течения газа. Это сводится к предположению, что в каждый момент времени соблюдается условие Sэp=U(p-pн)=Sнpн, (2.12) являющееся основой для расчетов. Для большинства вакуумных систем это условие достаточно хорошо выполняется. Расчет длительности откачки для реальных условий математически труден. Поэтому для упрощения расчетов определяют длительность откачки для так называемого квазистационарного течения газа. Для определения длительности откачки будем считать, что процесс откачки из сосуда 1 (на рис.2.13 ) происходит так медленно, что температура в сосуде постоянна и равна температуре (Т) стенок сосуда. Тогда за время (dt) из сосуда 1 объемом (V) удаляется количество газа, равное (Sэ pdt), где (p) – меняющееся в процессе откачки давление газа в сосуде 1; (Sэ) – эффективная быстрота откачки. За этот же промежуток времени в объем сосуда 1 поступает с постоянной скоростью количество газа, равное Q’∑ dt, где Q’∑ – суммарный поток газа, поступающий в сосуд 1 за счет натекания и газовыделения(не путать с Q’i ). Изменение количества газа в сосуде 1 за время (dt) составит: V dp, где V – объем сосуда. Уравнение таким образом, имеет вид: V dp= Q’∑ dt- Sэ pdt. (2.13) После разделения переменных получим: , (2.14) откуда в предположении, что Q’∑ и Sэ при откачке не меняются, получим , (2.15) где pнач – давление в сосуде 1 перед началом откачки. С помощью формулы (2.15) мы можем определить длительность откачки вакуумной системы до требуемого давления. В тех случаях, когда Q’∑ и Sэ меняются в процессе откачки, весь период откачки разбивают на отдельные участки по давлению, внутри каждого из которых газовыделение, натекание, характер процесса расширения газа и эффективную быстроту откачки можно условно принимать постоянным. При этом общее время откачки. , (2.16) где k – число участков, на которое разбит период откачки; ti – длительность откачки на i – м участке, расчитываемая по формуле (2.15). Давление в откачиваемом сосуде в каждый момент времени определяется равновесием между удаляемым с помощью вакуумного насоса потоком газа и потоком, поступающим в откачиваемый сосуд. Последний суммируется из потока газов Q’изд , поступающих из обрабатываемых изделий, газовыделения со стенок вакуумной системы Q’газ , обращенных в вакуумную полость, и потока газов Q’нат , натекающих в систему из атмосферы. Q’∑=Q’изд+Q’нат+Q’газ, (2.17) Q’изд и Q’газ определяются как результат выделения газов, содержащихся в материале изделий и сорбированных на поверхностях, обращенных в вакуумную полость. Для проектного расчета вакуумной системы и имеющих своей целью выбор типоразмера насоса, принимают газовыделение постоянным. Поток газов Q’изд поступающих в вакуумную систему из обрабатываемых изделий, можно оценить по формуле , (2.18) где G – масса обрабатываемых изделий, кг; qгаз – удельное газовыделение из материала обрабатываемых изделий, м3·Па/кг; Ω – коэффициент, учитывающий неравномерность процесса газовыделения, обычно Ω=1,5÷3; t – длительность процесса вакуумной обработки, с. Поток газов Q’газ , выделяющихся со стенок вакуумной системы, обращенных в вакуумную полость, определяется по формуле Q’газ=q’газA, (2.19) где q’газ – скорость удельного газовыделения с поверхностей стенки вакуумной системы, м3·Па/м2·с; A – поверхность, обращенная в вакуумную полость, м2. В случае, если вакуумный сосуд ограничивается стенкам, изготовленными из разных материалов, газовыделение должно суммироваться из газовыделений всех элементов, ограничивающих вакуумную систему: , (2.20) где q’газi – скорость удельного газовыделения с поверхности i – го элемента стенки вакуумной системы; Ai – поверхность стенки, обращенной в вакуумную полость, i – го элемента вакуумной системы. При проектном расчете газовыделение Q’газ с поверхностей, имеющих комнатную температуру, принимают постоянным во времени. Поток газов Q’нат, натекающих в вакуумную систему, обычно берется по характеристикам элементов вакуумной, а в случае их отсутствия – равным или несколько большим произведения чувствительности течеискателя на число мест, которые могут стать источниками натекания. Рассмотренная выше методика расчета вакуумной системы предполагает, что суммарный газовый поток Q’∑ меняется в относительно небольших пределах (Ω=1,5÷3). Такой характер изменения Q’∑ можно обеспечить постепенным повышением температуры материала, при которой осуществляется технологический процесс. 2.3.5. Режимы течения газов Течение газа (перемешивание газа в трубопроводе под действием разности давлений или температур на его концах) в вакуумной системе зависит от ряда параметров: температуры газа и стенок, разности давлений на концах системы, абсолютного давления, внутреннего трения в газе и взаимодействия газа с поверхностью, а также от формы и размеров рассматриваемой системы. Различают три основных вида течения газа: 1. турбулентное или вихревое (молекулы совершают беспорядочные неустановившиеся движения по различным траекториям); 2. ламинарное или вязкостное (отсутствует перемешивание между соседними слоями); 3. молекулярное или свободномолекулярное. Четкой границы между этими видами течения нет – существует промежуточные области переходных течений. В вакуумной технике обычно обычно разделют вязкостный (вплоть до атмосферного давления в системе), молекулярный и молекулярно-вязкостный режимы течения, характеризующиеся отношением средней длины свободного пути молекул к характерному (определяющему) линейному размеру D сосуда; это соотношение, называется числом Кнудсена Kn=/D. При расчетах проводимости вакуумных трубопроводов принимают: • молекулярному режиму течения соответствует Kn>0,33; • вязкостному режиму течения соответствует Kn<0,01; • молекулярно-вязкостному режиму соответствует 0,01