Шестак Вакуумная техника. Концепция разреженного газа 2012

Для получения заметного перехватывающего (ловушечного) действия в ловушке должны выполняться условия молекулярного режима течения газа вплоть до атмосферного давления, что соответствует наибольшему расстоянию между элементами ловушки порядка 10−7 м. Такие размеры могут быть обеспечены только в пористых элементах-абсорбентах, поэтому габариты ловушек зависят и от удельной проводимости пористых материалов, и от общей массы использованного в лабиринте наполнителя. Наиболее эффективно применение элементов из пористого стекла, стекловолокнистых материалов, пористых меди и нержавеющей стали.

Всё сказанное про ловушки разных типов находится в неразрешимом противоречии с требованием увеличения пропускной способности трактов откачки.

Принимаемые решения по применению ловушек − всегда компромисс.

Вопросы контроля и поддержки

1.Сформулируйте правила выбора низковакуумного насоса.

2.Какие критерии обычно применяют при выборе низковакуумного насоса?

3.Зачем инженеру-физику рассматривать вопросы промышленного применения низковакуумной техники?

4.В табл. 3.3.2 при рассмотрении применения низковакуумного оборудования часто используются понятия «прижим» и «удержание». За счет каких свойств вакуума реализуются эти действия?

5.За счет чего происходит сушка изделий при применении низковакуумной техники? Будет ли сушка интенсивнее в случае применения высоковакуумной техники?

6.Что такое централизованные вакуумные системы? Для каких целей их применяют?

7.Что такое «умный дом»?

8.Назовите 2 – 3 причины, по которым необходимо регулировать величину давления в вакуумной системе.

9.Почему в системе регулирования давления в вакуумной системе необходимо использовать динамический манометр?

10.Каким образом действуют управляемые клапаны при регулировании давления в вакуумной системе?

11.Чем отличается клапан-натекатель от напускного вакуумного клапана?

12.Объясните принцип работы игольчатого ручного вакуумного натекателя.

13.Для клапана-натекателя указана величина паразитного потока натекания через уплотнитель не более 5 · 10–10 Вт. Много это или мало? Объясните свой ответ.

14.Всегда ли фланцы в вакуумной технике свинчиваются болтами?

15.Что изменяется при изменении диапазона давлений, в котором работает арматура?

16.Почему идея лабиринтовых каналов нашла широкое применение в низковакуумных ловуш-

ках?

17.Что означает требование об обеспечении оптической плотности в ловушках?

18.Какие характеристики необходимо учитывать при выборе клапанов, устанавливаемых в сис-

тему?

19.Зачем нужны быстросъемные фланцы в вакуумной технике?

20.Поясните правила затяжки болтов крепления на круглом фланце.

201

ГЛАВА 4. ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ ВЫСОКОГО ВАКУУМА

Изучение этого модуля позволит вам:

различать технологические решения при реализации концепций получения высокого вакуума; проводить позиционирование объемных и поверхностных насосов в процессах про-

ектирования систем высокого вакуума; осуществлять выбор насосов под имеющуюся физическую задачу по разрежению газа с использованием знания о принципе их работы; выбирать вакуумметры, адекватные вашим целям;

формулировать проблемы метрологического обеспечения высоковакуумных систем; осуществлять выбор масс-спектрометров для вашей системы; концептуально освоить технику течеискания; изучить проблему обеспечения единства вакуумных измерений.

4.1. Насосы высокого вакуума

Зададим очень простой вопрос: что отличает получение высокого вакуума от получения низкого вакуума?

В первом приближении принципиальной разницы нет. Проектируем вакуумную систему согласно алгоритму проектирования вакуумной системы, изображенному на рис. 2.3.1, затем проводим ее расчет согласно алгоритму, изображенному на рис. 2.3.4, и (после изготовления) начинаем откачку.

Кривая распределения давления газа, изображенная на рис. 2.1.2, должна быть «продлена» влево так, как это предлагается на рис. 4.1.1. На рисунке изображена кривая распределения давления газа в системе откачки, включающей в себя последовательно соединенные объемные279 высоковакуумный насос (ВВ насос) и низковакуумный насос (НВ насос). Для удаления молекул из вакуума насосы должны осуществлять общее сжатие (компрессию) газа (например, от давления 107 Па до величины атмосферного давления 105 Па)280.

Рис. 4.1.1. Кривая распределения давления газа в системе откачки, включающей в себя последовательно соединенные объемные высоковакуумный (ВВ) и низковакуумный насосы (НВ)

«Захват» молекул в режим высоковакуумной откачки происходит за счет использования «механизма Аристотеля» в первой ступени откачки ВВ насоса, то есть идея «освобождения пространства» от находящихся там молекул с помощью «камня Аристотеля» используется и в высоком вакууме. В отличие от низкого вакуума образование потока откачки происходит за счет статистического неравенства плотности встречных потоков молекул на входе насоса, то есть в насос молекулы идут, а обратно, в основном, нет.

Для высокого вакуума статистические характеристики включают в себя величину скорости молекул, поэтому рабочие тела281 в высоком вакууме должны двигаться со скоростями, соответствую-

279Рассматриваются объемные насосы, так как именно для них существуют понятия: обратный поток, коэффициент компрессии, согласование насосов по производительности.

280Речь идет об увеличении внутренней энергии газа за счет совершения внешней работы.

281«Камни Аристотеля» для низковакуумных насосов представляли собой роторы различной конфигурации, а для высоковакуумных насосов известных конструкций они являются либо тяжелыми и большими молекулами пара масла, либо лопатками турбин-пропеллеров.

202

щими тепловым скоростям молекул, то есть со скоростями, по крайней мере, больше скорости звука282 (331 м · с–1 в воздухе при 105 Па).

Следует обратить внимание на то, что в ВВ насосах не бывает ступени откачки, подобной второй ступени НВ насоса, в которой отсеченная порция газа без сжатия переносится в ступень 3 – зону сжатия). Вместо этого в насосах создаются последовательные ступени откачки (2, 3,..., i), обеспечивающие общий достаточно большой (108) коэффициент компрессии.

Для примера, приведенного на рис. 4.1.1, общий коэффициент компрессии системы откачки составляет 1012.

Типовые рабочие характеристики разных высоковакуумных насосов приведены на рис. 4.1.2. Характеристики, в первую очередь, показывают диапазон давлений в вакуумной системе, в котором действие насоса эффективно, то есть, мы видим величины впускных давлений рвп, при которых быстрота действия насоса близка к своему максимуму. Поскольку величина рраб всегда задана, то насос выбирают таким образом, чтобы рраб всегда было бы в 10 раз больше рвп мин.

Спад характеристик высоковакуумных насосов справа в области высоких впускных давлений рвп всегда определяется переходом режима течения газа из свободного молекулярного в режим сплошной среды, при котором основные механизмы высоковакуумной откачки (например, обеспечивающие сверхзвуковые скорости движения рабочих тел) или вспомогательные (например, механизм поддержания тлеющего разряда, который обеспечивает напыление сорбента-геттера на откачивающую поверхность насоса) не работают.

Рис. 4.1.2. Типовые рабочие характеристики разных высоковакуумных насосов

Спад в области малых давлений, как и в случае низковакуумной откачки, происходит из-за сравнивания величин прямых и обратных потоков.

На рис. 4.1.3 рассмотрена морфология принципов (механизмов) высоковакуумной откачки, для которых, как видно из первых двух рисунков, так же, как и при низковакуумной откачке, прежде всего рассматриваются механизмы, тем или иным способом препятствующие движению молекул со стороны выпуска (справа) на сторону впуска (слева)283.

Варианты механизмов высоковакуумной откачки разделены на четыре группы. Первые две группы составляют механизмы объемной откачки, в которых откачка осуществляется, во-первых, за счет движения рабочего тела («камня Аристотеля»), при котором образуется пространство, освобожденное от молекул остаточного газа, куда, в свою очередь, за счет собственного свободного движения попадают молекулы284.

Затем рабочее тело «выталкивает» эти молекулы направо, и поскольку так же, как и в низковакуумных насосах, приняты все меры, чтобы величина обратного потока Qобр стремилась к нулю, то воз-

282Физического смысла подобное сравнение не имеет, просто удобно ориентироваться в величинах. Впрочем, в технике зона таких значений скоростей является особой: можно вспомнить сверхзвуковые эжекторы – сопла Лаваля, сверхзвуковую авиацию, число Маха как степень превышения скорости потока скорости звука

ит.д.

283Поскольку неработающий насос представляет собой открытый канал между впускной и выпускной сторонами, в котором молекулы могут двигаться без ограничений в обе стороны.

284В МКТ этот процесс считается диффузией, и в этом плане все вакуумные насосы, включая низковакуумные, которые используют механизм откачки «по Аристотелю», могут считаться и называться диффузионными, аналогично диффузионному паромасляному насосу.

203

никает поток откачки. Во-вторых, в высоковакуумных насосах используется принцип неравновероятного прохода молекул в разных направлениях (словно «демон Максвелла» исполняет свою работу по открыванию (закрыванию) люка).

Рис. 4.1.3. Морфология принципов (механизмов) высоковакуумной откачки

В практической реализации оба механизма в высоковакуумных насосах первой (1) и второй (2) групп обычно используются одновременно, причем абсолютно независимо друг от друга. К третьей (3) и четвертой (4) группе отнесены механизмы так называемой поверхностной откачки, для которых характерно отсутствие выпускной стороны, наличие слоев сорбированных молекул на специально организованной поверхности (либо сорбент-геттер, либо криопанель) и полное отсутствие контакта с выпускной правой частью. На рис. 4.1.3 эти решения названы «открытый справа» и «заглушенный справа» каналы откачки.

На современном рынке высоковакуумных насосов можно приобрести285: диффузионные (струйные) паромасляные насосы (группа 1);

турбомолекулярные (механические) насосы (группа 2); геттерные и геттерно-ионные насосы (группа 3);

высоковакуумные крионасосы (группа 4).

4.1.1. Диффузионные (струйные) паромасляные насосы

Этим насосам почти 100 лет (изобретены в 1915 г.). В насосе, изображенном на рис. 4.1.4, имеются четыре ступени откачки, каждая из которых удовлетворяет условию:

р1S1 = р2S2= ... = р4S4, где р1 = рвп – давление на входе насоса, р2 – давление на входе второй ступени откачки и т.д.

Пары кипящего масла поднимаются вверх по паропроводу и вылетают из тарельчатых сопел (сопел Лаваля) со сверхзвуковой скоростью.

285 Названия соответствуют терминологии, принятой в 2009 г. (см. в кн.: Вакуумная техника: Справочник. М.: Машиностроение, 2009).

204

Свободные молекулы имеют две возможности286:

1)свободно пролететь через струю вниз без столкновений;

2)влететь в струю и провзаимодействовать с молекулой пара масла, после чего получить допол-

нительный импульс движения (удар молекулой пара287) в направлении выпуска (см. рис. 1.2.22).

Обе возможности приводят к формированию

потока откачки Qотк (рис. 4.1.5), реализуют механизмы откачки «по Аристотелю» и вероятностной молекулярной откачке, что объясняется:

взаимным движением молекул газа и пара – идущая снизу молекула газа «видит» молекулу пара как бы растянутой сверху вниз и с большой степенью вероятности сталкивается с ней, взаимодействует в потенциальной яме, после чего излучается по косинусному закону с максимальной вероятностью в направлении вниз (по ходу движения моле-

кул пара); тем, что струи пара масла являются для обрат-

ного потока молекул откачиваемого газа «люкомзатвором», который определяет неравновероят-

ность проходов молекул сверху вниз и снизу вверх. Именно так реализуется механизм откачки с «демоном Максвелла» или механизм вероятностной молекулярной откачки.

Рис. 4.1.5. Реализация откачки в диффузионном паромасляном насосе с механизмами откачки «по Аристотелю» (а) и с «демоном Максвелла» (б)

Выражение для коэффициента компрессии kк может быть записано следующим образом:

где F – функционал (здесь – функция от функций, переводящая функцию в число) от L – высоты насоса; vпар – скорости молекул пара; ρпар – плотности струи пара; Мi – массы молекул откачиваемого газа; Мпар – массы молекул масла: d и dпар – размеров молекул газа и пара масла288соответственно.

В лучших образцах современных насосов kкомпр достигает 108 по азоту.

Диффузионные струйные насосы единственные насосы, которые могут быть «настроены» на эффективную откачку того или иного i-го газа, что следует из выражения (4.1.1) и характеристик, приведенных на рис. 4.1.6.

286Есть и еще одна возможность – молекула отразится от струи в сторону вакуумной системы. Коэффициент отражения носит название – коэффициент «Хо».

287Под ударом здесь понимается действие сил Ван-дер-Ваальса между молекулами газа и пара масла.

288Следует заметить, что выражение (4.1.1) не учитывает потенциальный характер взаимодействия молекул в насосе.

205

Диффузионные паромасляные насосы обладают целым рядом преимуществ, например: высокой производительностью (в том числе по таким легким газам, как гелий и водород), наличием моделей с большими (свыше 500 мм) Ду, отсутствием движущихся частей в зоне откачки, высокой устойчивостью к «прорывам атмосферы» вследствие нарушения герметизации, низкой стоимостью.

Главным недостатком – причиной постепенного отказа современных потребителей от диффузионных паромасляных насосов − являются наличие рабочей жидкости (вакуумного масла) и, соответственно, присутствие обратного потока ее паров в вакуумную камеру. Удельный обратный поток масляных паров из диффузионного насоса составляет 1 мг · ч–1 · см–2.

Этот обратный поток, вносящий существенные изменения в компонентный состав среды разреженного газа в вакуумной камере, крайне нежелателен, а в некоторых процессах совершенно недопустим. Например, даже в таких, казалось бы, безразличных к составу газовой среды процессах, как вакуумная металлургия, уже стремятся избавляться от наличия масляных паров в рабочей камере, поскольку технологический процесс, проходящий в среде, свободной от углеводородов, позволяет получать продукт с существенно лучшими свойствами. А в таких технологиях и отраслях, как полупроводниковая промышленность, аэрокосмические системы, физика элементарных частиц и термоядерная энергетика, наличие любых углеводородов делает технологический процесс невозможным.

Установка на входе диффузионного паромасляного насоса ловушки, охлаждаемой жидким азотом289, позволяет снизить удельный обратный поток масляных паров из диффузионного насоса на пять порядков.

Типичный масс-спектр остаточных газов в вакуумной системе, откаченной современным диффузионным паромасляным насосом, представлен на рис. 4.1.8. Такой спектр может быть получен при использовании специального вакуумного масла и оптимизации геометрии насоса. Кроме того, предполагается, что на входе насоса установлена вымораживающая пары масла ловушка, охлаждаемая жидким азотом (температура 77 К).

Современные диффузионные насосы, для того чтобы обеспечить масс-спектр остаточных газов в вакуумной системе, похожий на изображенный на рис. 4.1.8, должны использовать вакуумные масла самого высокого качества (например, Santovac 5 или Fomblin Y). Масло Fomblin Y представляет собой перфторированную инертную полиэфирную жидкость, содержащую в химической формуле только углерод (М = 12), фтор (М = 19) и атомы кислорода (М = 32). Сказанное иллюстрирует то, что если получение высшего качества обеспечивается при системном подходе, мелочей не бывает.

Рис. 4.1.8. Типичный масс-спектр остаточных газов в вакуумной системе, откаченной современным диффузионным паромасляным насосом

Наиболее радикальным и вместе с тем эффективным способом улучшения любой вакуумной системы в соответствии с современными тенденциями является замена диффузионного насоса на безмасляный («сухой») высоковакуумный насос (если только это не система с Dу более 500 мм, для которой нет альтернативы в модельных рядах насосов других типов).

289 Конструкции рассмотрены в разделе 4.3.

207

но 45°), что видно на рис. 4.1.10, где представлены вид турбомолекулярного насоса в разрезе, схема взаимного линейного движения лопаток и его условное изображение.

ТМН обеспечивает предельное давление до 10−8 Па. Скорость вращения ротора – до 100 000 об/мин при диаметрах роторов от 6 до 20 см292. ТМН рассчитан на работу в условиях молеку-

лярного режима течения газа. Таким образом, для своей работы ТМН так же, как и диффузионный насос, требует наличия начального вакуума, во-первых, чтобы обеспечить свободное движение молекул откачиваемого газа и, во-вторых, обеспечить сверхзвуковые линейные скорости лопатокпропеллеров.

Рис. 4.1.10. Турбомолекулярный насос в разрезе (а); схема взаимного движения лопаток-пропеллеров (б) и условное изображение (в)

Поскольку ТМН – объемный насос, естественно, на выпускной стороне должен быть установлен вспомогательный насос для удаления откачиваемого газа.

Скорость откачки определяют диаметр ротора, количество лопаток-пропеллеров, угол их наклона (особенно в первых ступенях) и скорость вращения.

Коэффициент компрессии определяют скорость вращения ротора, количество ступеней и молекулярный вес откачиваемого газа. Коэффициент компрессии пропорционален корню квадратному из

290Известны конструкции, в которых используются алюминиевые диски с наклонными прорезями.

291От лат. propello – гоню, толкаю вперёд. То есть если для турбины это лопатки, для ТМН – пропеллеры, поскольку они «толкают» молекулы в направлении откачки.

292Угловая скорость вращения ω от 103 до 104 рад/с. Линейная скорость для ротора с радиусом Rрот вычисляется как v = ωRрот. Тогда для роторов с диаметрами от 6 до 20 см имеем v от 300 до 1000 м/с соответственно.

208

молекулярного веса молекул откачиваемых газов. Это означает, что есть проблемы с откачкой водорода и гелия. Значение коэффициента компрессии по водороду особенно важно при использовании насоса для создания сверхвысокого вакуума в электрофизических установках.

Рис. 4.1.11. Рабочая характеристика293 турбомолекулярного насоса для водорода H2, гелия He и азота N2

Коэффициент компрессии одной ступени составляет от 2 до 10, то есть для получения современной величины kк = 109 (по азоту) необходимо иметь минимум девять ступеней (ступенью откачки считается пара: слой роторных и слой статорных лопастей; см. рис. 4.1.10, б).

Коэффициент компрессии от скорости вращения ротора зависит линейно. Обеспечение вращения с высокой скоростью накладывает повышенные требования на применяемые подшипники, сильно увеличивая стоимость ТМН (сегодняшняя стоимость зарубежных моделей от 2000 до 24 000 дол.

США). ТМН относится к области очень высокотехнологичных изделий, производство которых «по плечу» не каждой фирме.

293Интересно то, что под рабочей характеристикой ТМН в современной литературе понимается зависимость коэффициента компрессии от давления на выпуске. Это подтверждает важную роль величины обратного потока, который прямопропорционален выпускному давлению. Следует помнить, что любой насос объемного действия представляет собой открытый канал между впуском и выпуском.

294Фернанд Хольвек (фр. Fernand Holweck, 1890–1941) – французский физик. Основной научный вклад

был сделан в области технологий создания вакуума, теории электромагнитного излучения и гравитации. В 1924 г. запатентовал насос Хольвека. Развил теорию дискретности ионизирующих излучений. Во время оккупации Франции Германией (1940–1944) участвовал во французском Сопротивлении. Арестован и расстрелян фашистским гестапо в 1941 г.

209

Из-за очень высокой скорости вращения в современных ТМН применяются две основные системы подвески ротора: магнитная подвеска и закрепление ротора в керамических подшипниках, выполненных из нитрида кремния.

Магнитная подвеска ротора дает следующие преимущества:

безмасляная откачка – полное отсутствие следов углеводородов, поскольку не нужна смазка;

произвольная ориентация – насос может быть установлен в любом положении.

При использовании керамических подшипников главное преимущество состоит в том, что у керамических шариков небольшая масса по сравнению со стальными шариками, и это уменьшает радиальные силы в подшипнике и соответствующую рабочую температуру подшипника295.

В современных турбомолекулярных насосах используется комбинированная подвеска. На низковакуумной стороне ротора устанавливаются керамические подшипники, которые принудительно смазываются, а на высоковакуумной стороне – магнитная подвеска. Для специальных применений используют насосы, полностью оборудованные магнитной подвеской. Ротор в таких насосах удерживается электромагнитами.

Дополнительным путем борьбы за безмасляный вакуум является применение на стороне выпуска ТМН «сухих» вспомогательных насосов, но их использование на порядок увеличивает величину достигаемого с помощью ТМН предельного давления в вакуумной системе.

Свободные молекулы в ТМН, двигающиеся в направлении откачки (например, сверху вниз на рис. 4.1.10, б) имеют две возможности:

1)свободно пролететь через систему лопаток-пропеллеров вниз без столкновений;

2)влететь в зазор верхнего диска и провзаимодействовать с лопаткой-пропеллером, после чего получить дополнительный импульс движения («удар» лопаткой) в направлении выпуска (см.

рис. 1.2.22).

Обе возможности приводят к формированию потока откачки Qотк, и в них реализуется механизм откачки «по Аристотелю» аналогично тому, который мы рассмотрели для диффузионного паромасляного насоса.

Для того чтобы насос нормально работал, необходимо обеспечить величину Qобр много меньше величины Qотк. Молекулы, которые пытаются проникнуть с выхода насоса на его вход, подвергаются косым встречным «ударам» лопатками-пропеллерами, двигающимися слева направо и после взаимодействия десорбируются с поверхностей лопаток-пропеллеров по косинусному закону. Следует заметить, что из-за взаимного движения молекула, идущая снизу, «видит» наклоненную лопаткупропеллер как бы растянутую сверху вниз. Таким образом, для обратного потока откачиваемого газа перемещающиеся линейно со скоростью звука лопатки-пропеллеры представляют затвор, который определяет неравновероятность прохода молекул сверху вниз и снизу вверх. То есть мы видим, что

ив ТМН реализуется механизм откачки с «демоном Максвелла» или механизм вероятностной молекулярной откачки.

295 Любой нагрев в технических устройствах снижает их рабочий ресурс.

210