3511

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Воронежский государственный технический университет»

Л. Н. Никитин, А. С. Костюков, М. Ю. Гостев

СПОСОБЫ СОЗДАНИЯ ГЛУБОКОГО ВАКУУМА

Учебное пособие

Воронеж 2020

ВВЕДЕНИЕ

Вакуумные установки и приборы, несмотря на довольно длинную историю применения, до сих пор играют большую роль в производстве и испытаний как целых систем РЭС, так и отдельных их узлов и агрегатов. От к ачества оборудования и его правильного использования зависит качество и время службы РЭС.

Представленное учебное пособие содержит теоритический, практический, а так же справочный материал по способам создания вакуума и оборудованию, которое применяется для этого.

1.ГЛУБОКИЙ ВАКУУМ

1.1.ЦЕЛЬ УЧЕБНОГО ПОСОБИЯ

Целью этого учебного пособия является краткий обзор некоторых аспектов современной вакуумной техники, причем особое внимание уделяется методам без масляной откачки, таким как ионная откачка и титановая сублимация.

Надеемся, что представленная здесь информация будет полезна для специалистов всех уровней, работающих с высоким вакуумом.

1.2. КРАТКАЯ ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА

Самые ранние высоковакуумные устройства были безжидкостного типа. Поэтому наиболее современные устройства, по сути дела, являются одновременно наиболее старыми. Одно из первых наблюдений понижения давления в системе, в результате улавливания атомов осажденной металлической пленкой было сделано в Германии в 1858 г. Плакером. Первая криогенная откачка была произведена в 1876 г. лордом Дьюаром. Однако в начале 1900-х годов усилия одного изобретательного гения Вильгельма Теде привели к тому, что в сле-

3

дующей половине столетия вакуумная технология почти целиком зависела от насосов жидкостного типа. И лишь только в последние несколько лет вакуумная техника, основанная на использовании твердотельной или конденсированной фазы, резко возродилась. Сейчас созданы сублимационные насосы, позволяющие достигнуть вакуум вплоть до самых низких да в- лений и выполняющие много функций, которые прежде были исключительной сферой диффузионных насосов. Во всех н а- сосах Геде использовались жидкости (масло или ртуть), которые находились внутри вакуумной системы, и их можно считать самыми ранними прообразами современных механических и диффузионных насосов. Наоборот, новейшая техника стремится не допускать жидкости в вакуумную систему. Наиболее эффективный путь достижения этого — не использовать их. Если д ля непрерывной откачки используются насосы жидкостного типа, то всегда есть сомнение в том, существует ли стопроцентная гарантия в отсутствии обратного потока паров жидкости даже при наличии самых лучших и тщательно разработанных ловушек. В этой брошюре рассматривается в основном твердотельная вакуумная техника, которая создает вакуум путем постоянного захвата газовых молекул и, тем самым, удаления их из обращения.

Суммарный эффект получается тот же самый, как если бы газовые молекулы выводились из системы; при этом избегаются вредные влияния масла и ртути. Наиболее экономично это может быть выполнено с помощью геттеро-ионных насосов, используя химически активные металлы, такие как титан, способные поглощать молекулы газа.

1.3. ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЯ

Величиной, имеющей фундаментальное значение в вакуумных измерениях, является плотность частиц n, т. е. число молекул или атомов газа в единице объема. Она связана с давлением с помощью соотношения n = 9,7 × 1018 Р/Т, где n выражено в молекулах/см3, Р — в торр, а Т — в градусах Кель-

4

вина. Однако, в силу традиции и из-за процедуры калибровки вакуумных манометров давление находит более широкое использование, чем плотность частиц. Единицей давления, которая используется чаще других, является торр, названная в честь Торричелли. Она определяется через обычную атмосферу, которая составляет 1.013.250 дин/см2. Один торр равен 1/760 атмосферы, или 1340 дин/см2. Коммерческие приборы обычно дают показания давления в торрах. В настоящее время международной единицей давления является Паскаль (Па). 1

Па = 1 ньютон/м2; 1 Па = 7,50064 х 10-3 торр; 1 торр = 133,322 Па.

Скорость откачки обычно измеряется в литр/сек и является функцией давления. Насос, имеющий скорость откачки 1 литр/сек, откачает камеру объемом в 1 литр до давления 0,37 от ее первоначальной величины за 1 сек, если пренебречь влиянием стенок.

1.4. ТЕОРИЯ ГАЗОВ

Все газы состоят из мельчайших частиц, называемых молекулами, которые находятся в постоянном движении. Согласно теории газов, известной как кинетическая теория, газ оказывает давление на окружающие стенки из-за соударений с последними. Поскольку газ не теряет энергию, оказывая давление на окружающие его стенки, то можно заключить, что каждая молекула отскакивает от стенки с той же самой скоростью, с которой она ударилась об нее. Таким образом, удары молекул о стенки являются абсолютно упругими. Однако, в области высокого вакуума направление отскока молекулы не зависит от направления падения. В результате этого молекулы, отскакивающие от поверхности, имеют угловое распределение, которое выражается кнудсеновским законом косинуса, т.е. интенсивность отраженного молекулярного пучка пропорциональна косинусу угла между траекторией молекул и нормалью к поверхности.

5

Из приведенного выше определения давления следует, что только те молекулы, которые двигаются в объеме, вносят свой вклад в общее давление в системе. Молекула, которая адсорбируется на поверхности, не находится в газовой фазе и не вносит вклада в давление, хотя она и не может быть постоянно закреплена на поверхности. Она может быть возвращена

вгазовую фазу, как мы увидим, различными способами. Для наших целей наиболее важными из этих целей являются термостимулированная десорбция (путем прямого нагрева) и ионная бомбардировка. Последний механизм особенно важен

вслучае ионных насосов. Наиболее распространенным газом на земле является воздух, который на самом деле представляет собой смесь различных газов. Состав воздуха на уровне моря следующий: 78 % азота (N2), 21 % кислорода (О2) и 1 % аргона (Аг), с переменным количеством паров воды. При комнатной температуре и относительной влажности 50% молекулы воды составляют около 1 % объема воздуха. Несмотря на низкий процент, вода очень важна в работе с вакуумом из-за прочности, с которой она прилипает к поверхностям. Поверхностные пленки молекул воды представляют собой богатый источник газа и могут сильно ограничивать скорости откачки и предельные давления, достижимые в вакуумных системах. Чтобы удалить эти молекулы воды, требуется отжиг вакуумной системы при ее откачке.

Все хорошо известные газовые законы — закон Бойля, закон Шарля и закон Авогадро — могут быть выведены из кинетической теории. Мы не будем их здесь выводить, а просто сформулируем для справки.

Закон Бойля: PV = Const при постоянной температуре. Закон Шарля: PV = nRT.

Закон Авогадро: Равные объемы всех газов при одинаковом давлении и температуре содержат равное количество молекул.

Из закона Авогадро следует, что один моль газа занимает объем 22,4 литра при 0° С и давлении в 1 атмосферу. Один моль газа есть вес газа в граммах, равный молекулярно-

6

му весу. Число Авогадро N = 6,02.1023 молекул/моль. Отсюда мы можем вычислить плотность частиц, соответствующую торр на литр, т. е. число молекул в литре газа, находящегося при температуре 0° С и давлении 1 торр. Оно равно 6,02.1023 /22,4 х 760= 3,54 х 1019 молекул. Отсюда литр газа при давлении 10-8 торр будет содержать 3,54 х 1011 молекул.

Другой величиной, представляющей интерес, является скорость, с которой молекулы удаляются от поверхности. Можно показать, что число молекул газа, сталкивающихся с единицей площади за единицу времени, дается выражением:

где М — молекулярный вес, для воздуха (М = 29) при комнатной температуре (Т = 298° К) это выражение сводится кV= 3,79 х 1020 Р (торр) и, например, при Р = 10-8 торрV = 3,79 х 1012 столкновений/см2/сек.

Еще одной величиной, которая имеет значение в работе с вакуумом, является средняя длина свободного пробега молекулы. Наблюдения показали, что молекулы перемещаются прямолинейно до тех пор, пока они не столкнутся с другими молекулами или стенками системы. Термин «средняя длина свободного пробега» означает среднее расстояние, которое проходит каждая молекула между последовательными столкновениями с другой молекулой (но не со стенками).

Для средней длины свободного пробега в воздухе при комнатной температуре используют выражение L = 5/р, где L в сантиметрах и Р в микронах. Например, при 10-6 торр средняя длина свободного пробега в воздухе равна 50 метрам. Понятие средней длины свободного пробега очень полезно при описании различных диапазонов давлений и обсуждении физических явлений, которые могут иметь место. При атмосферном давлении средняя длина свободного пробега очень короткая. Газовые молекулы сталкиваются друг с другом, и газ ведет себя в некоторых отношениях подобно жидкости. При на-

7

личии градиента давления он движется как единое целое и может рассматриваться как поток. Термин «поток» обычно используется в более широком смысле для обозначения движения газов при таких низких давлениях, при которых подобное движение происходить не может.

При уменьшении давления в вакуумной системе, начиная с атмосферного давления, постоянно изменяется характер картины потоков. При значительно более низком давлении механизм движения совсем другой. Он называется «молекулярным потоком», или потоком Кнудсена. При таких низких давлениях средняя длина свободного пробега больше линейных размеров аппаратуры, и молекулы сталкиваются не друг с другом, а со стенками камеры. Движение данной молекулы происходит совершенно беспорядочно, и она с равной вероятностью может перемещаться как в одном, так и в дру гом направлениях. С точки зрения молекулы, стенки являются очень грубыми и нерегулярными, и направление движения молекулы после столкновения с ними в среднем не зависит от направления падения. Приведенная на рис. 1 схема показывает, что происхо-дит при движении молекул вдоль трубы.

Рис. 1. Схема движения молекул вдоль трубы

На этом рисунке показано пять молекул, которые слева входят в трубу. Три из этих молекул отскакивают от стенок таким образом, что выходят из трубы слева, а две молекулы, отражаясь от стенок, двигаются вдоль трубы и выходят из нее справа. Это говорит о беспорядочном движении молекул в

8

высоком вакууме; путь при этом состоит их отдельных нескоординированных отрезков. Движение будет непрерывным как направленное движение вправо только в том случае, если имеется больше молекул слева, чем справа.

Скорость откачки и проводимость

Скорость любого устройства, создающего вакуум, определяется уравнением:

где:

Q – скорость газового потока в торр-литр/сек; S – скорость откачки в литр/сек;

Р – давление в насосе в торр.

Поток газа через канал между двумя точками в вакуумной системе зависит от разности давлений и проводимости между двумя точками. Последняя, в свою очередь, зависит от молекулярного веса газа, геометрической формы и размеров канала и температуры. Канал может представлять из себя связывающий шланг или трубопровод, или отверстие в стенке между двумя полостями. Количество газа, которое протекает через такой канал в единицу времени, определяется соотношением.

где:

С – проводимость канала;

Q – обычно измеряется в торр-литр/сек; Р – давление в торр;

С – имеет ту же самую размерность, что и скорость откачки, а именно, литр/сек.

Мы видели ранее, что скорость откачки насоса определяется соотношением:

9

где:

Р – давление на входе насоса.

По аналогии, скорость откачки в любой точке вакуумной системы равна:

где:

Q – скорость газового потока;

S – скорость откачки в точке, в которой измеряется давление Р;

В том случае, когда газ движется по длинной трубе вдоль градиента давления Р2 – Pi (давления на концах трубы или в двух точках трубы), скорости откачки в двух рассматр и- ваемых точках равны:

Отсюда:

Подставляя эти выражения для Р1и F2 в уравнение (1), мы получим:

Сокращая обе части уравнения на Q и делая некоторые перестановки, получим:

Таким образом, скорость откачки в любой точке вак у- умной системы может быть получена из известной скорости

10