книги из ГПНТБ / Варламов В.А. Сборочные операции в электровакуумном производстве учеб. пособие

в самих насосах между впускным патрубком и верхним соплом рас­ полагают уловители паров, работа которых основана на отражении и конденсации пара.

Направление движения пароврабочего масла Направление движения отначидаемого из прибора газа

Рис. 150. Разновидности сопел:

а — диффузионные, б— эжекторные

Однако пароструйные насосы имеют значительно меньшие об­ ратные потоки паров масла в откачиваемый прибор по сравнению с механическими насосами. Поэтому установка в вакуумной систе­ ме пароструйного насоса позволяет не только повысить вакуум и скорость откачки, но и резко снижает вероятность проникновения паров масла из механического насоса в прибор.

Рабочие жидкости для пароструйных насосов

К рабочим жидкостям пароструйных насосов предъявляются следующие требования:

низкое давление насыщенных паров при комнатной температуре; способность не окисляться в нагретом состоянии при соприкос­

новении с атмосферным воздухом; способность не разлагаться при нагреве до рабочих температур

парообразования; малое поглощение газов ц паров из атмосферного воздуха;

пары рабочей жидкости должны хорошо смачивать стенки насо­ са и легко конденсироваться.

Внаибольшей степени этим требованиям удовлетворяют ртуть

аспециальные сорта минеральных и искусственных масел.

Впринципе парортутные насосы обладают рядом преимуществ перед паромасляными.

Ртутные насосы практически не ухудшают свои вакуумные ха­ рактеристики при кратковременном контакте нагретой ртути в про­ цессе работы насоса с атмосферным воздухом; позволяют быстро достигать предельного давления (РПреД) даже при сильном газовыделении в системе. Они могут работать при высоких противодав­ лениях (для ртутных насосов достаточно разрежение у выпускного

270

патрубка 1 мм рт. ст., а для паромасляных необходимо разрежение порядка ІО-2 мм рт. ст.). После откачки ртутными насосами оста­ точные газы в системе почти не содержат компонентов, являющих­ ся «ядами» для электровакуумных приборов. Поэтому вакуумные установки для откачки фотоэлектронных и СВЧ приборов рекомен­ дуется оснащать именно парортутными насосами (пары масел и углеводородов .резко снижают эмиссионную способность и долго­ вечность фотокатодов).

Основной недостаток ртутных насосов — вредность ртутных па­ ров и высокое давление насыщенных паров ртути, которое ограни­ чивает предельный вакуум насоса.

Для пароструйных насосов применяют минеральные нефтяные масла после специальной перегонки: ВМ-1 *; ВМ-2; ВМ-5 * (масло ВМ-5 содержит меньше легких фракций, кипящих при низких тем­ пературах, и соответственно обеспечивает более низкое предельное давление насоса). Общий недостаток нефтяных масел — легко окис­ ляются и обладают значительной растворяющей способностью по отношению к газам (поэтому при запуске насоса из масла выде­ ляется большое количество разнообразных газов и паров).

Кремнийорганические жидкости — силиконовые масла** ВКЖ-94А, ВКЖ-94Б, ПФМС-1, ПФМС-2 применяют, когда насосы в процессе работы периодически соприкасаются с атмосферным воздухом (например, в автоматических и полуавтоматических мно­ гопозиционных карусельных установках).

Эти масла обладают высокой противоокислительной стойкостью и обеспечивают низкое предельное давление. Однако использование этих масел может приводить к образованию на электродах откачи­ ваемых приборов кремнийорганических пленок (особенно при от­ сутствии в системе азотных ловушек). При бомбардировке электро­ дов электронами эти пленки разлагаются и образуются твердые и газообразные продукты, в частности, выделяется кислород, что рез­ ко снижает эмиссионные характеристики приборов.

Для получения сверхнизких давлений в цельнометаллических прогреваемых системах разработаны рабочие жидкости типа 5ФУЭ

иФМ-1, полифениловые эфиры и т. д.

Всвязи с плохой теплопроводностью масел их следует разогре­ вать медленно и равномерно (при наличии местных перегревов ускоряется процесс разложения рабочего масла).

§ 85. ГЕТТЕРНО-ИОННЫЕ НАСОСЫ

Геттерно-ионные насосы являются свёрхвысоковакуумными и обе­ спечивают снижение давления в системе до 5 -ІО-9 мм рт. ст. — 2- ІО-10 мм рт. ст.

* Получается разгонкой под вакуумом медицинского вазелина.

** Силиконовые масла — высокомолекулярные синтетические жидкости, в со­ став которых входят углеводороды и окись кремния.

271

В основе работы геттерно-ионных насосов лежат процессы погло­

щения нейтральных молекул и положительных ионов остаточного газа.

Поглощение нейтральных молекул остаточного газа непрерывно (или периодически) распыляемым металлом — газопоглотителем происходит путем адсорбции, хемосорбции, химических реакций или растворения газа металлом (например, титаном), напыляемым на элементы насоса. Титан образует нелетучие и устойчивые при ком­ натной температуре твердые соединения или твердые растворы поч­ ти со всеми газами, имеющимися в вакуумных системах. Однако он не поглощает инертных газов и углеводородов,' пока они находятся в виде нейтральных молекул.

му веществу. На рис. 151 показана схема геттерно-ионного насоса типа ГИН-05М1 с быстротой откачки 400 л/сек. Внутри водоохлаж­ даемого корпуса 4 размещены прямоканальный вольфрамовый ка­ тод 1 , два испарителя 2 и анод 3, смонтированные на металлоке­ рамических изоляторах, уплотненных с днищем 5. Предварительная откачка производится через патрубок 6.

Испаритель 2 представляет собой ^/-образный керн, на который нанесен слой йодного титана толщиной 0,5 мм. Пропуская ток через испаритель, нагревают его до температуры порядка 1160° С. При этом происходит возгонка титана (т. е. переход титана из твердого состояния в парообразное) и конденсация паров титана на внутрен­ ней поверхности корпуса насоса; при этом образуется активная титановая пленка, обладающая газопоглощающими свойствами. Ионизация газов (плохо поглощаемых в молекулярной форме плен­ кой титана) осуществляется электронами, испускаемыми катодом 1 и ускоряемыми анодом 3. Быстрота откачки зависит от степени ионизации газа, которую можно повысить путем увеличения длины свободного пробега электронов. При малой длине свободного пробе­ га электронов инертные газы вообще не ионизируются.

272

Быстрота откачки газов значительно возрастает при напылении титана на подложку, охлаждаемую до низких температур (при ох­ лаждении титановой пленки до температуры жидкого азота ско­ рость'откачки водорода возрастает в 17 раз и практически прекра­ щается образование метана). Наибольшая 'скорость откачки дости­ гается при подключении к геттерио-ионному насосу через патру­ бок 6 диффузионного насоса (резко улучшается откачка инертных газов, не связываемых газопоглотитилем). Следует отметить, что да­ же при использовании «для подкачки» диффузионного масляного насоса в откачиваемом объеме полностью отсутствуют следы рабоче­ го масла или продукты его разложения. Это объясняется термиче­ ским разложением паров масла в полости геттерно-ионного насоса с последующим поглощением продуктов разложения. Часто для предварительной откачки насоса до давления ІО-3—10~4 мм рт. ст. применяют адсорбционные цеолитовые насосы. Например, .на базе геттерно-ионного насоса ГИН-05М1 и двух цеолитовых адсорбцион­ ных насосов создан безмасляный вакуумный ионно-геттерный аг­ регат ВИГА-500-1. Для откачки генераторных и модуляторных при­ боров последовательно устанавливают геттерио-ионный насос, диф­ фузионный насос Н1С2 и механический насос ВН-416М.

К недостаткам геттерно-ионных насосов относится: сложность системы электропитания; отсутствие саморегулирования скорости распыления титана; наличие горячего катода; обратное выделение ранее поглощенных газов при включении насоса (особенно водоро­ да, азота, гелия, непрочно связанных с титановой пленкой); недо­ статочная эффективность откачки инертных газов.

§86. ЭЛЕКТРОРАЗРЯДНЫЕ МАГНИТНЫЕ НАСОСЫ

Вэлектроразрядных насосах в принципе используются те же фи­ зические процессы, что и в геттерно-ионных насосах. Однако элек­ троразрядные насосы отличаются тем, что прогрев и возгонка ти­ тана производятся бомбардировкой испарителя положительными иона­ ми (а не пропусканием тока через испаритель). Распыление материала испарителя при бомбардировке его положительными ионами называется катодным« распылением. Ионизация молекул остаточного газа происхо­ дит при помощи возбуждения в на­

Применение магнитного поля позволяет значительно увеличить длину свободного пробега электронов и соответственно повышает вероятность ионизации и быстроту откачки насосов.

На рис. 152 изображена схема расположения электродов в про­ стейшем электроразрядном насосе. Внутри вакуумной камеры 1 рас­ положены два плоских титановых катода 2 п посредине многодыр­ чатый анод 3, имеющий сильно развитую поверхность. Вакуумная камера помещается в постоянное магнитное поле, напряженность которого для различных насосов составляет 1200—2000 э. Анодное напряжение 3—6 кв. При определенном сочетании геометрии элек­ тродов, напряженности электрического и магнитного полей между катодами и анодом возникает электрический разряд. Образующиеся при разряде положительные ионы газа бомбардируют катод и вы­ зывают распыление материала катода (титана). Распыленный с катода титан оседает на поверхности анода в виде тонких пленок, обладающих большой газопоглощающей способностью. Количество распыленного титана зависит от количества и числа положительных ионов, образующихся при разряде. Электроны под действием маг­ нитного поля закручиваются по спирали, тем самым усиливается ионизация. Длина их пробега увеличивается, и возрастает число ионизированных молекул. Ионизированные газы поглощаются как свежераспыленным титаном, осевшим на аноде, так и поверхностью титановых катодов. Анодом поглощаются • преимущественно азот,

одинакова, лучше всего откачивается водород (вдвое быстрее воз­ духа) , хуже азот и еще хуже кислород.

При увеличении давления остаточного газа возрастает ток раз­ ряда и увеличивается распыление материала катода (титана). По­ вышение давления сверх ІО-2— 10_3 мм рт. ст. приводит к перегреву насоса вследствие резкого увеличения выделяющейся на электродах мощности. Насос может устойчиво работать только при давлениях, которые меньше (2—5).- ІО-5 мм рт. ст.

Охлаждение электродной системы электроразрядного насоса позволяет расширить область устойчивой работы насоса до 5-10-3 мм рт. ст. (Насосы типа НОРД являются наиболее распро­ страненными электроразрядными магнитными насосами с охлажде­ нием'электродной системы.)

циалами катода и анода. Это позволяет увеличить запыляемую ти­ таном поверхность (коллектор, как и анод, покрывается пленкой титана). К подобным электроразрядным насосам триодного типа, в частности, относится насос ТРИОН-150, имеющий быстроту дей­ ствия более 150 л/сек и предельное давление порядка Ю-10—ІО-11 мм рт. ст. Чтобы исключить возможность исчезновения холодного разряда при давлениях ниже 10-10 мм рт. ст., в некоторых электроразрядных насосах используется дополнительное пусковое устройство, содержащее радиоактивный источник ß-лучей — элек­ тронов, которые поддерживают протекание разряда.

274

Ток разряда в электроразрядных магнитных насосах линейно зависит от давления остаточных газов, поэтому он может служить для оценки вакуума (при этом отпадает необходимость в примене­ нии специального манометрического датчика для измерения оста­ точного давления).

Электроразрядиые насосы, как и геттерно-ионные, перед началом работы требуют предварительного обезгаживания при температуре 250—300° С и давлении 2- ІО-5 мм рт. ст. в течение 4—6 ч. При пред­ варительном обезгаживании откачку электроразрядного насоса обычно производят адсорбционными насосами или диффузионными насосами с азотной ловушкой.

При обильном газовыделении (например, при разложении кар­ бонатов оксидного катода) электроразрядные насосы «захлебы­ ваются» (и перегреваются) и давление под штенгелем откачивае­ мых приборов резко возрастает. Поэтому рекомендуется комбини­ ровать электроразрядные насосы с геттерно-ионными. Такие комби­ нированные насосы называются ЭГИНами.

Важным преимуществом всех геттерно-ионных и электроразряд­ ных насосов является отсутствие рабочей жидкости — это исклю­ чает возможность образования пленки сконденсировавшегося пара рабочей жидкости на внутренних поверхностях откачиваемого объема.

§ 87. ОТКАЧНЫЕ ПОСТЫ ДЛЯ ВАКУУМНОЙ ОБРАБОТКИ ПРИБОРОВ

В производстве электровакуумных приборов применяют две раз­ новидности вакуумных установок: стационарные откачные посты; автоматические и полуавтоматические * карусельные или конвейер­ ные многопозиционные машины.

Вакуумная обработка приборов на постах позволяет:

создать в приборе очень высокий вакуум — остаточное давлёние менее ІО-7 мм рт. ст. (высокий вакуум на постах достигается тремя факторами: большой длительностью откачки, установкой вакуумных ловушек и сочленением прибора с вакуумной системой путем на­ пайки) ;

изготовлять приборы с малым парциальным давлением паров; подавать непосредственно в процессе вакуумной обработки на

электроды высокие напряжения, т. е. осуществлять высоковольтный прожиг (загрязнения между электродами при отсутствии предвари­ тельного прожига будут сжигаться непосредственно в процессе испытания и эксплуатации готового прибора — это приведет к от­ равлению катода и пробоям);

контролировать и управлять технологическими процессами, ко­ торые требуют корректировки режима в зависимости от условий, создавшихся в каждом конкретном приборе.

* В отличие от откачного автомата в откачном полуавтомате не полностью устранены ручные операции (например, загрузка ламп, отпайка и т. д.).

На откачных постах скорость подъема температуры при обезгаживашіи деталей и оболочки корректируется в зависимости от пазовыделения и изменения давления в приборе. Температуру изменяют так, чтобы скорость газовыделения не превышала скорости откачки.

К недостаткам вакуумной обработки на постах относится: низкая производительность оборудования; малый коэффициент полезного использования производственной

площади; необходимость остановки насосов перед напаиванием новых при­

боров; это увеличивает продолжительность контакта рабочих жидкостей насосов * с атмосферой и увеличивает их собственное газовыделение.

На откачных постах во время операций обезгаживания деталей, активирования катода и спаивания прибора оболочка (а также не­ которые детали внутренней арматуры) находится при комнатной температуре. При этом происходит «перекачка» газов — газы и па­ ры, выделяющиеся из нагретых деталей, сорбируются на холодных деталях внутри прибора, что приводит к отравлению катода и ухуд­ шению параметров.

В настоящее время разработаны откачные посты с программным управлением и совмещенным циклом откачки. При совмещенном цикле прибор в течение всего времени вакуумной обработки нахо­ дится под печью (обезгаживание, активирование и отпай произво­ дятся без подъема печи); при этом выделяющиеся газы не сорби­ руются ** на нагретых деталях и удаляются насосами. Совмещен­ ный цикл откачки исключает охлаждение откачиваемого прибора и позволяет резко сократить длительность вакуумной обработки — этим предотвращается обратная диффузия газов и паров из систе­ мы в прибор.

Вакуумная система, которая обеспечивает получение разреже­ ния до 5 -ІО-7 мм рт. ст. и широко применяется на постах для от­ качки электроннолучевых трубок, потенциалсскопов, скиатронов и других приборов, показана на рис. 153.

Механический насос 1 типа РВН-20 или ВН-494 создает в систе­ ме предварительное разрежение порядка ІО-2—10~3 мм рт. ст. (фор­ вакуум). Механический насос откачивает непосредственно через паромасляный насос. Форвакуум необходим для предотвращения окисления остаточным газом паров масла в диффузионном насосе и для уменьшения рротиводавления на выходном патрубке диффу­ зионного насоса.

Паромасляный диффузионный насос 3 с маслоотражателем со­ здает в системе высокий вакуум.-

Ловушка 4, заполняемая жидким азотом,служит для выморажи­ вания паров масла и паров воды. Практика показала, что парамет­

*Контакт с атмосферой особенно опасен для диффузионных насосов.

**Как известно, скорость сорбции резко снижается при повышении температу­ ры (см. § 72). Хемосорбция (хотя она и ускоряется при повышении температу-1 ры) является длительным процессом и не успевает произойти при большой ско­ рости отцачки

2 7 6

ры приборов п эмиссионная способность катодов улучшаются, если последовательно располагаются две ловушки: металлическая с жидким азотом, устанавливаемая непосредственно у входного па-- трубка диффузионного насоса, и стеклянная с жидким азотом *, устанавливаемая непосредственно у коллек­ тора, на отростки -которого напаиваются приборы. Первая ловушка не пропускает пары из системы в прибор, а -вторая ловуш­ ка улавливает пары, которые ранее попали в прибор. Приборы напаиваются на вилку 6.

Предохранительный' шар 2, установлен­ ный у впускного патрубка механического насоса, служит для улавливания тумана и брызг масла, которые могут проникнуть из механического насоса в вышковакуумный. Этот же шар защищает механический насос

от попадания в него твердых частиц со стороны вакуумной системы (твердые частицы могут нарушить герметичность вакуумной Части насосов и привести к подсосу воздуха).

Датчики 5 предназначены для измерения давления в -приборе (они всегда напаиваются после ловушки — -см. стр. 259). В процессе откачки давление в системе изменяется в широких пределах, в свя­ зи с этим приходится применять в одной и той же системе два, а иногда и три манометра на разные диапазоны давлений. Иногда откачные установки снабжаются масс-спектрометрами для анализа состава остаточных газов в процессе откачки. В описанной вакуум­ ной системе не требуются различные вакуумные краны, переключа­ тели и уплотнения, т. е. она является прямоточной, поэтому легко достигается высокий вакуум.

* В последнее время вместо ловушек с жидким азотом применяют сорбцион­ ные ловушки, содержащие три газопоглощающих вещества: активированный уголь, силикагель и окись алюминия. Сорбционные ловушки рекомендуется также устанавливать между пароструйным и механическим насосами — это предотвра­ щает проникновение масла из механического насоса в пароструйный и позволяет снизить предельное остаточное давление.

27 Т

Недостатком системы является потеря времени на остывание па­ ромасляного насоса (в период между отпайкой прибора и напайкой нового прибора масло диффузионного насоса находится в контакте с атмосферным воздухом, поэтому его необходимо охлаждать во избежание окисления).

В последнее время разработаны силиконовые масла, мало окис­

включают добавочное сопротивление 4, снижающее ток накала по­ догревателя насоса (рис. 154). При контакте с атмосферой под дав­ лением воздуха пары рабочего масла могут перейти из диффузион­ ного насоса в механический. С уменьшением количества масла в ра­ ботающем насосе резко ухудшается его характеристика; поэтому необходимо добавлять в диффузионный насос масло из расчета 10% в декаду (по отношению к паспортным данным). Вентиль 6 по­ зволяет отсоединять механический насос от системы (без его вы­ ключения) в момент контакта вакуумной системы с атмосферой (например, при установке нового прибора) — это уменьшает веро­ ятность разбрызгивания ■паров масла из диффузионного насоса в механический. В прямоточной вакуумной системе неизбежен брак ■обрабатываемого изделия в случае аварийного выключения механи­ ческого или диффузионного насоса, «a-пример, при внезапном обе-

зионный насос 1 может быть полностью отключен от вакуумной системы, поэтому можно производить на­ пайку приборов и предварительную откачку из них воздуха, не вы­ ключая печь диффузионного насоса. (При этом не теряется время на охлаждение и нагрев диффузионного насоса. Кроме того, масло насоса постоянно находится под вакуумом.)

Установленная линия байпасной откачки с вентилем 8 позволяет создавать в приборе предварительное разрежение без выключения подогревателя диффузионного насоса. Для образования во вновь напаянном приборе-предварительного разрежения воздух откачива­ ют механическим насосом 11 через вентиль 8; при этом диффузион­ ный насос (отключенный от системы кранами 3 и 7) работает «сам

278

на себя», выбрасывая воздух в предохранительный форвакуумный баллон 12. Предохранительный баллон 12 также служит для умень­ шения опасности окисления масла в диффузионном насосе в случае аварийного отключения механического насоса или внезапного про­ рыва атмосферного воздуха в систему.

После снижения давления в приборе до ІО-2 мм рт. ст. клапан 8 закрывается, а вентиль 3 и клапан 7 открываются; при этом отка­ чиваемый прибор соединяется с диффузионным насосом и откачка газа происходит по схеме: прибор— »-.ловушка— »-диффузионный насос— »-предохранительный баллон— »-механический насос.

Клапан 7 выполняет роль защитного устройства; он предохра­ няет диффузионный насос 1 от попадания в него масла из меха­ нического насоса 11 и вакуумную систему от прорыва в нее атмос­ ферного воздуха * при обесточивании установки и остановке меха­ нического насоса. Ловушка 2 служит для улавливания паров.

Следует учитывать, что после выключения установки масло из - механического насоса (под давлением атмосферного воздуха на ва­ куумный патрубок 10) может попасть в трубопроводы и загрязнить клапан 7 и вентиль 8. Поэтому после выключения механического насоса через вентиль 9 в пространство над входным патрубком

°)

Рис. 156. Вакуумная си­ стема цельнометалличе­ ской сверхвысоковакуум­ ной установки:

2, 3 — цельнометаллические прогреваемые вентили, 4 — азотная ловушка, 5 — паро­

струйный насос, 5 — механи­ ческий вакуумный насос

* Практика показывает, что для выхода из строя диффузионного насоса до­ статочно проникновения в него 50 г масла из механического насоса.

279