7

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к выполнению лабораторной работы № 1

"ИЗУЧЕНИЕ УСТРОЙСТВА ВЫСОКОВАКУУМНОЙ УСТАНОВКИ И ПОРЯДКА РАБОТЫ НА НЕЙ"

по дисциплине Физические основы вакуумных технологий

1. Цели лабораторной работы:

• изучение конструкции основных частей (элементов) высоковакуум­ной лабораторной установки;

• изучение компоновки средств откачки и др. частей установки;

• ознакомление с порядком работы на установке.

2. Общие и теоретические сведения 2.1. Основные определения

Вакуумная установка состоит из вакуумной системы и устройств, обеспечивающих ее действие, к которым, например, относятся электро­двигатели, нагреватели и т.п.

Вакуумная система - совокупность устройств для создания вакуума: средств откачки, приборов для измерения вакуума, а также сосудов (камер) и связывающих их трубопроводов.

Элементом вакуумной системы называется прибор, сборочная единица или деталь, предназначенные для выполнения определенных функций в вакуумной системе.

Вакуумная камера - откачиваемый сосуд, в котором создается вакуум, необходимый для различных исследований и технологических процессов.

2. 2. Общая характеристика вакуумной установки

Установка, изучаемая в данной работе, предназначена для про­ведения в высоком вакууме (10^-2 – 10^-4 Па) различных технологичес­ких операций (испарение металлов с целью получения пленок, вакуум­ная плавка металлов и сплавов и т.п.). Установка является непрогре­ваемой, т.е. она не снабжена нагревательными устройствами, при помощи которых можно обезгаживать под откачкой элементы и соеди­нения при нагреве до температур выше 250-300°С. Разъемные сое­динения изучаемой вакуумной установки и клапаны по своим кон­структивно-технологическим особенностям не могут прогреваться до указанных температур. Прогреваемая установка, предназначенная для работы в сверхвысоком вакууме (ниже 10^-5 Па), изучается в лабо­раторной работе № 2.

Во время выполнения данной лабораторной работы студенты изучают конструкции, принципы работы и компоновку следующих элементов вакуумной установки:

- вакуумных насосов;

• ловушки;

• вакуумной камеры;

• вакуумных клапанов;

• вакуумных трубопроводов (вакуумпроводов);

• вакуумных соединений.

Приборы для измерения вакуума изучаются в лабораторной работе № 3 и в данной работе подробно не рассматриваются. Конструктивная схема вакуумной установки изображена на рис. 1. Эта установка была сконструирована выдающимися физиками-экспери­ментаторами, работавшими на кафедре – Г. В. Федоровым (1923-1973) и Ю.Ф. Комником (1930).

2.3. Элементы вакуумной установки

2. 3.1. Средства откачки (вакуумные насосы) и ловушка

Современные вакуумные насосы обеспечивают получение вакуума до 10^-8  10^-10 Па (10^-10  10^-12 Торр). Они отличаются по принципам действия и диапазонам давлений. Принципы работы средств откачки были подробно изучены на лекциях. Во время выполнения данной лабораторной работы студенты рассмотрят устройство неко­торых насосов, наиболее широко применяемых в высоковакуумных лабораторных установках - паромасляного диффузионного насоса и механического насоса с масляным уплотнением.

На рис. 2 приведена схема, на которой изображены диапазоны действия насосов различных типов. Из этой схемы видно, что некото­рые насосы пригодны только для получения среднего вакуума. Такие насосы являются форвакуумными, т.е. обеспечивают достижение более низкого вакуума при последовательной работе нескольких (в данном случае - двух) насосов. С другой стороны, имеются высоковакуумные насосы, которые могут работать, начиная только с какого-то достаточно низкого давления (1- 10 Па). К таким насосам относят­ся, например, диффузионные насосы. Кроме того, на выходе этих насосов нужно создавать пониженное давление (10-10² Па). Таким образом, форвакуумные и высоковакуумные насосы используются в од­ном комплексе: сначала в вакуумной камере понижают давление до 1- 10 Па форвакуумным насосом (например, механическим насосом с масля­ным уплотнением), а затем проводят откачку диффузионным насосом, создавая на его выходе пониженное давление при помощи того же форвакуумного насоса.

Диффузионные насосы применяют для откачки различных вакуумных систем до остаточных давлений 10^-2 – 10^-5 Па (10^-4- 10^-7 Торр). Используя ловушки, можно даже снижать эти давления на 1-2 порядка.

При таких давлениях длина свободного пути молекул откачи­ваемого газа практически всегда больше диаметра впускного отвер­стия насоса и поэтому в нем реализуется молекулярный режим течения газа. Молекулы газа при тепловом движении через впускное отвер­стие насоса направляются к паровой струе. Механизм увлечения газа в этих насосах обусловлен диффузионными процессами. Вслед­ствие разности концентрации газа над паровой струей и в самой струе, где концентрация пренебрежимо мала, происходит диффузия газа в струю. Попав в нее, молекулы газа получают импульсы от мо­лекул пара 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, отка­чивается форвакуумным насосом. В качестве рабочей жидкости в пароструйных диффузионных на­сосах применяются минеральные масла специальной перегонки (ВМ-1 и ВМ-5), а также синтетические "масла" - полифениловые эфиры и кремнийорганические жидкости. Последние обладают повышенной окислительной стойкостью и способны выдерживать длительное пре­бывание в атмосфере при нагреве до 150-200°С. В некоторых специ­альный случаях рабочей жидкостью диффузионных насосов служит ртуть. Таким образом, по типу используемой рабочей жидкости диф­фузионные насосы подразделяются на паромасляные и парортутные.

На рис. 3 показано устройство паромасляного диффузионного насоса. Он состоит из стального цилиндрического корпуса 1 с при­варенным к нему днищем 6, впускным 2 и выпускным 9 патрубками. С наружной стороны к корпусу и выпускному патрубку припаян змеевик 5 из медной трубки, по которой циркулирует вода, охлаждая стенки корпуса и патрубка. Нижняя часть корпуса, где находится рабочая жидкость 8, служит кипятильником, который нагревается внешним электронаг­ревателем 7 до температуры 200-300°С. Образующийся при нагреве пар рабочей жидкости по паропроводу 4 поступает к зонтичному соплу обращенного типа 3 и выходит из него со сверхзвуковой скоростью, захватывая и унося за собой молекулы откачиваемого газа. Далее нагретые пары рабочей жидкости, попадая на холодные стенки корпуса, конденсируются на них. Сконденсированные пары (конденсат) стекают в кипятильник. В пространстве под струей пара газ сжимается до давления, при котором его может откачать форвакуумный насос, присоединяемый к выпускному патрубку.

Высоковакуумные диффузионные насосы имеют обычно 2 или 3 сту­пени откачки (см. рис.4, техническое описание насоса, плакат и макет). Это позволяет увеличить быстро­ту действия насоса и снизить его чувствительность к колебаниям давления на выходе. Кроме того, чтобы уменьшить попадание паров масла в откачиваемый объем, применяется водоохлаждаемый колпачок (дефлектор). Важным усовершенствованием паромасляного диффузионного насоса является также автоматическое разде­ление масла по фракциям, при котором пары легких фракций направ­ляются в сопло нижней ступени, а тяжелых - в сопло верхней сту­пени. Принцип автоматического фракционирования заклю­чается в следующем. В кипятильнике устанавливаются лабиринтные кольца (рис. 4), и в них вставляются паропроводы. Лабиринтные коль­ца удлиняют путь масла до поступления в центральную зону кипятиль­ника, откуда питается паром сопло верхней ступени. Легкие фракции успевают испаряться на периферии кипятильника, откуда они поступают во второе (среднее) и третье (нижнее) сопло насоса.

С конструкцией реальных паромасляных насосов студенты зна­комятся в процессе выполнения лабораторной работы. При этом они осматривают и разбирают образцы пароструйных насосов, изучают учебный плакат, а также просматривают техническое описание (паспорт), в ко­тором приведено описание насоса и его характеристики.

Следует добавить, что водоохлаждаемый дефлектор снижает массу паров рабочей жидкости, поступающих из диффузионного насоса в вакуумную камеру, в 10 - 100 раз. При использовании паромасляных насосов это не всегда эффективно. Поэтому для умень­шения количества паров масла, проникающих в камеру, используют различные вакуумные ловушки, принципы, действия которых были обсуждены на лекциях. В изучаемой установке применяется заливная ловушка, охлаждаемая жидким азотом (рис.5).

Устройство механических насосов с масляным уплотнением также рассмотрено на лекциях. Конструкции реальных насосов сравнительно сложны и не допускают быстрой разборки и сборки. Поэтому при вы­полнении данной лабораторной работы студенты повторяют принцип работы механических насосов с масляным уплотнением, пользуясь учеб­ными плакатами, образцом насоса в сборе и техническим описанием (паспортом), содержащим описание насоса и его характеристику.