МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ рф

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Утверждаю

Зав. кафедрой ВЭПТ

В.П. Кривобоков

« » 2013 г.

А.В. Юрьева

Вакуумное оборудование плазменных

и ускорительных систем

Методические указания к выполнению

лабораторных работ по курсу

«Вакуумное оборудование плазменных и ускорительных систем»

для студентов, обучающихся по направлению 011200 «Физика»,

223200 «Техническая физика»

Томск 2013

Лабораторная работа №1 «Изучение вакуумной системы»

Цель работы: изучение вакуумной системы установки и работы вакуумных насосов.

1. Теоретические основы

Вакуумом (от лат. Vacuum – пустота) называют состояние газа или пара при давлении ниже атмосферного. Количественной характеристикой вакуума служит абсолютное давление. Основной единицей измерения давления в системе СИ служит Паскаль (1 Па). В практике вакуумных измерений широко используется другая внесистемная единица – миллиметр ртутного столба (1 мм.рт.ст. = 133 Па).

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, характеризующимся отношением средней длины свободного пробега λ к характерному (определяющему) линейному размеру сосуда.

Это отношение называется числом Кнудсена Кn и оно положено в основу условного разделения областей вакуума на следующие диапазоны: низкий, средний, высокий и сверхвысокий:

Низкий вакуум характеризуется давлением газа при котором средняя длина свободного пробега молекул газа значительно меньше характерного линейного размера сосуда λ << L .

Низкому вакууму обычно соответствует область давлений 760 ÷ 1 мм.рт.ст.

Средний вакуум: характеризуется давлением газа, при котором средняя длина свободного пробега соизмерима с линейным размером сосуда (λ ≈ L). Область давлений 1 ÷ 10⁻³ мм.рт.ст.

Высокий вакуум: средняя длина свободного пробега много больше линейных размеров (λ >> L). Область давлений 10⁻³ ÷ 10⁻⁷ мм.рт.ст.).

Сверхвысокий вакуум: характеризуется давлением газа, при котором не происходит заметного изменения свойств поверхности, первоначально свободной от адсорбированного газа, за время, существенное для рабочего процесса. Обычно этому соответствует область давлений меньше 10⁻⁷ мм.рт.ст.

Вакуумная система – совокупность взаимосвязанных устройств для создания, повышения и поддержания вакуума, приборов для вакуумных измерений, а также откачиваемых сосудов и связывающих их вакуумных трубопроводов. 

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

Откачка – уменьшение молекулярной концентрации газа при помощи устройств, удаляющих или поглощающих газ.

Остаточный газ – газ, оставшийся в вакуумной системе после откачки.

Разреженный газ – газ, молекулярная концентрация которого меньше его концентрации при нормальных условиях.

Форвакуум – предварительный вакуум (до 0,1 Па), создаваемый насосом более низкого вакуума перед подключением высоковакуумного насоса.

Вакуумный насос – устройство, предназначенное для создания, повышения и (или) поддержания вакуума.

Вакуумный насос предварительного разрежения (форвакуумный насос) – вакуумный насос, предназначенный для понижения давления в откачиваемом объеме или откачной системе от атмосферного давления до значения, при котором может начать работу другая откачная система или вакуумный насос.

Низковакуумный насос – вакуумный насос, предназначенный для получения давления в откачиваемом объеме в диапазоне от 10⁵ до 0,1 Па.

Высоковакуумный насос – вакуумный насос, предназначенный для получения давления в откачиваемом объеме менее 0,1 Па.

Манометр – прибор для измерения давлений или разности давлений.

Вакуумметр – манометр для измерения давления разреженного газа или пара.

Термопарный вакуумметр – тепловой вакуумметр полного давления, в котором использована зависимость электродвижущей силы термопары от измеряемого давления.

Ионизационный вакуумметр – вакуумметр полного давления, действие которого основано на зависимости ионного тока, возникшего в газе в результате ионизации молекул разреженного газа, от давления.

Ловушка – устройство, в котором парциальное давление компонентов газопаровой смеси понижается механическим, физическим или химическим способом, и уменьшается проникновение паров или газов из одной части откачной системы в другую.