Вакуумный практикум. Учебно-методическое пособие

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ к работе № 3

Контрольные вопросы включают задания 1–10 в виде теста. Выберите правильный, с Вашей точки зрения, ответ

исравните с ответами, приведенными в конце пособия

1.«Дифференциальный» гидростатический манометр становится «абсолютным» когда:

А. Давление газа над одним из колен больше, чем над другим; Б. Давление газа над одним из колен много больше, чем над другим; В. Давление газа над одним из колен меньше, чем над другим.

2.Тепловые манометры нельзя использовать при давлениях, меньших 10–4 мм рт.ст., и при давлениях, больших 1 мм рт.ст., так как:

А. Постоянная Больцмана за пределами этих значений давления начинает изменяться; Б. электропроводность газа за пределами этих значений давления не изменяется;

В. Теплопроводность газа за пределами этих значений давления не изменяется;

Г. Постоянная Больцмана за пределами этих значений давления не изменяется.

3.Зависимость показаний тепловых манометров и их чувствительности от температуры газа вызвана:

А. Влиянием средней тепловой скорости молекул газа на его теплопроводность;

Б. Химическими реакциями на поверхности нити; В. Вторичной электронной эмиссией на поверхности нити.

4.Зависимость показаний тепловых манометров и их чувствительности от рода газа вызвана:

А. Химическими реакциями на поверхности нити; Б. вторичной электроннойэмиссиейнаповерхностинити;В.Влияниемродагазанаеготеплопроводность.

5.Зависимость показаний тепловых манометров и их чувствительности от влажности воздуха вызвана:

А. Химическими реакциями на поверхности нити; Б. Вторичной электронной эмиссией на поверхности нити; В. Влиянием состава газовой смеси на ее теплопроводность.

6.Для того, чтобы ток через нить теплового манометра не изменялся при изменении давления, источник питания должен быть:

А. «Источником напряжения»; Б. «Источником тока»; В. Источником с любым внутренним сопротивлением.

7.Измерять сопротивление нити в манометре сопротивления (Пирани) можно:

31

Лабораторная работа № 4

ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ БЫСТРОТЫ ОТКАЧКИ ОБЪЕКТА ОТ КОНФИГУРАЦИИ ВАКУУМПРОВОДА

4.1. Цель работы:

знакомство с теорией и техникой получения вакуума в физическом эксперименте, расчет и измерения длительности откачки по вакуумпроводам различных размеров.

4.2. Перед выполнением работы необходимо:

–изучить принципы действия и типа вакуумных насосов, вакуумных кранов ([l] – c. 9–20, [2] – с. 79–136, [4] – с. 95–207);

–изучить особенности различных режимов течения газа по ваакуумпроводу, проанализировать выражения для проводимости различных дета-

лей вакуумпроводов ([l] – с. 4–7, [2] – с. 56–67, [4] – с. 308–346);

–вывести основное уравнение вакуумной техники и выражение для длительности откачки ([1] – с. 8–9);

–познакомиться с принципом действия и инструкциями по эксплуатации термопарного вакуумметра ВТ–2 и самопишущих потенциометров.

4.3. Отчет по работе должен содержать:

–название и цель лабораторной работы;

–схему лабораторной установки;

–методику расчета длительности откачки по вакуумпроводу сложной конфигурации и результаты расчетов;

–методику измерения длительности откачки и результаты измерений;

–сравнение результатов расчета и эксперимента.

В работе выполняются расчеты времени откачки газа из объема по вакуумпроводам различной геометрии (с трубами различного размера), результаты которых сравниваются с результатами эксперимента по измерениям времени откачки на лабораторной установке.

4.4. Схема лабораторной установки Схема установки, для которой выполняются расчеты и проводится экс-

перимент, показана на рис. 4.1.

Откачка может производиться по вакуумпроводу I (левый), состоящему из элементов 1–2–3–7–8–9, или по вакуумпроводу II (правый), состоящему из элементов 4–5–6–7–8–9. Переключение вакуумпроводов осуществляется с помощью трехходового вакуумного крана К2.

Дозирующее устройство ДУ служит для задания начального давления воздуха в объеме и состоит из трехходового вакуумного крана КЗ, к осевому патрубку которого присоединена пробирка небольшого объема, а два

33

боковых патрубка соединены соответственно с откачиваемым объемом и «атмосферой».

Кран К1 предназначен для пуска атмосферного воздуха в насос после его остановки при выключении установки. При измерениях кран К1 должен быть постоянно повернут вправо.

Регистрация давления в откачиваемом объеме осуществляется с помощью термопарного вакуумметра ВТ с датчиком ПМТ–2. (Выход вакуумметра для повышения точности отсчета может быть соединен с цифровым милливольтметром.)

4.4. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ВРЕМЕНИ ОТКАЧКИ ПО ВАКУУМПРОВОДУ ПЕРЕМЕННОГО СЕЧЕНИЯ

I-й и II-й вакуумпроводы, имеющие сложную форму и переменное сече- ниерассматриваютсякаксовокупностьотрезковтруб№1–9различногоди- аметра D и длины L и диафрагмы № 7. Расчет проводится для молекулярновязкостного режима течения газа по трубам (диапазон значений критерия Кнудсена 0,005<Kn<1,5, Kn равен отношению средней длины свободного пробега молекул λ (λ ≈ 6 · 10-3 / р см/ мм рт. ст.) к диаметру D).

4.4.1. Расчет проводимости элементов вакуумпроводов

Для каждого элемента I и II вакуумпроводов рассчитывается величина L/D, затем по соответствующей формуле (см. ниже) – его проводимость Ui и заполняется таблица:

Расчетные формулы. Проводимость U длинной трубы (L/D>20) при температуре 293 °К равна

здесь рср – среднее давление в трубе в мм.рт.ст.(торах), размеры D и L – в см. (Значение рср задается ниже, в пункте 4.5.1).

Для короткой трубы (2<L/D<20) в предыдущей формуле (4.1) вместо L необходимо использовать Lэфф= L + 1,33 ∙ D.

Проводимость диафрагмы (отверстия диаметром D [см] в перегородке) рассчитывается по формуле:

34

4.4.2. Расчет полной проводимости вакуумпроводов.

Зная Ui можно рассчитать полную проводимость 1–го и 11–го вакуумпроводов по формулам

Суммирование в выражении (4.3 ,а) для UI проводится по элементам 1,

II– по элементам 4, 5, 6, 7, 8 и 9.

4.4.3.Эффективную скорость откачки объема через I–й вакуумпровод

–(Sэфф)I и через II–й вакуумпровод – (Sэфф)II можно рассчитать, используя основное уравнение вакуумной техники и зная UI и UII, а также быстроту действия (производительность) насоса SH, по формуламU

4.5. ХОД РАБОТЫ

4.5.1. Используя среду MS Office Excel, выполнить расчеты (Δt)I и (Δt)II по п.п. 4.4.1–4.4.4. для молекулярно-вязкостного режима течения газа при р1 =

35

=7∙10–2 мм рт.ст. (показания термопарного вакуумметра 3 мВ) и р2 = 4,5∙10–2 мм рт.ст. (показания термопарного вакуумметра 4 мВ) и V = 10л =104 см3.

Величину рср в формулах для U (4.1) принять равной рср= 0,5(p1+p2). Значение SH для молекулярно–вязкостного режима принять равным: SH = 120 см3с–1 – для насоса типа ВН–461 или

SH = 1000 см3см–1 – для насоса типа НВР–1 или

SH = 500 см3см–1 – для насоса типа РВН–20.

(Типнасоса,которыйбудетиспользованвэксперименте,указываетпреподаватель).

4.5.2. Ход измерений длительности процесса откачки УКАЗАНИЯ ПО МЕРАМ БЕЗОПАСНОСТИ

1.Работа должна выполняться бригадой, включающей не менее 2-х человек, причем в каждый момент времени все переключения и регулировки должен выполнять только один человек, а другой (другие) студенты должны внимательно контролировать правильность его действий.

2.При выполнении работы следует постоянно иметь в виду, что стеклянныеоболочкиоткачиваемогообъема,вакуумпровода,крановидр.находятсяпод давлением,равнымразностиатмосферногодавленияидавлениявнутрисосуда, т.е.приоткачке–поддавлением,практическиравныматмосферному.Поэтому любыеповрежденияоболочекприводяткмгновенномуихразрушениюиразлету осколков,которыемогутнанеститравму.Всвязисэтим,привыполненииработыкатегорическизапрещается:

–прикладыватькручкамвакуумныхстеклянныхкрановчрезмернобольшие усилия,атакжепривращениикрановдержатьврукекакие-либопредметы;

–держатьнарабочемстолепосторонниепредметы(сумки,одеждуипр.);

– включать установку без разрешения лиц, проводящих практикум;

– в установке, находящейся под напряжением, разъединять разъемы, а также осуществлять какие-либо переключения, не оговоренные инструкцией.

4.5.2.1. Методика измерений

Измерения t можно производить двумя способами: – отсчитывая по секундомеру промежуток времени между моментами, когда показания термопарного вакуумметра (UТП)I и (UТП)II соответствуют давлениям Р1 и Р2.

– получив зависимость UТП(t) в графическом виде на ленте самописца и зная величину скорости протяжки ленты.

4.5.2.2. Ход измерений

– Все вакуумные краны на установке поставить в нейтральное положение и включить форвакуумный насос. Повернуть кран К1 вправо.

– С помощью дозирующегого устройства создать в откачиваемом объеме небольшое начальное давление воздуха. Для этого:

– краном КЗ соединить пробирку с атмосферой, повернув ручку крана в направлении «отверстия в атмосферу»;

–присоединитьпробиркукоткачиваемомуобъему,длячегоповернутьруч- кукранаКЗна180°,внаправлениипатрубка,соединяющегокрансустановкой.

36

– Произвести измерения (Δt)I, при откачке объема через I–й ваку-

умпровод. Для этого повернуть кран К2 влево и с помощью секундомера измерить промежуток времени между показаниями (UТП)I = 3 мВ и (UТП)II = 4 мВ, соответствующих давлениям Р1=7∙10–2 мм рт.ст. и Р2=4,5∙10–2 мм рт.ст.

(При использовании самописца прописать зависимость давления в откачиваемом объеме от текущего времени и также определить длительность откачкиот(UТП)I до(UТП)II,пользуясьизвестнойдляданноготипасамописца скоростью протяжки ленты).

– Произвести измерения (Δt)II, при откачке объема через II–й ваку-

умпровод предварительно создав начальное давление с помощью ДУ и повернув кран К2 вправо.

4.5.3.Сравнить рассчитанную и измеренную длительности откачки для каждого вакуумпровода. Вычислить погрешность.

4.5.4.Для выключения установки поставить все краны в нейтральное положение, выключить все приборы, выключить механический ротационный форвакуумный насос ФН и незамедлительно соединить краном К1 входной патрубок насоса с атмосферой.

Рис. 4.1. V – откачиваемый объем, ФН – форвакуумный насос, 1–9 – элементы вакуумпровода, представляющие собой отрезки стеклянных труб разного диаметра и длины, 7 – диафрагма (отверстие в пробке крана К2),

К1–К3 – вакуумные краны, ДУ – дозирующее устройство, ВТ–2 – термопарный вакуумметр с датчиком ПМТ-2

37

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ к работе 4

Контрольные вопросы включают задания 1–11 в виде теста. Выберите правильный, с Вашей точки зрения, ответ

исравните с ответами, приведенными в конце пособия

1.Критерий Кнудсена Kn для используемых давлений газа и диаметра трубы D~1см составляет:

А. 8–13; Б. 0,08–0,13; В. 0,8–1,3

2.При вязкостном режиме течения газа проводимость трубопровода зависит от его диаметра D как

А. D; Б. D2; В. D4

3.При молекулярном режиме течения газа проводимость трубопровода зависит от его диаметра как

А. D3; Б. D2; В. D

4.При молекулярно-вязкостном режиме течения газа проводимость трубопровода зависит от его диаметра как

А. D; Б. D3…4; В. D2

5.При вязкостном режиме течения газа проводимость трубопровода зависит от его длины L как

А. L; Б. L–1; В. L–2

6.При молекулярном режиме течения газа проводимость трубопровода зависит от его длины L как

А. L–1; Б. L; В. L–2

7.При молекулярно–вязкостном режиме течения газа проводимость трубопровода зависит от его длины L как

А. L–2; Б. L–1; В. L

8.Проанализируйте основное уравнение вакуумной техники и ответьте

в каком случае Sэфф будет стремиться к SH

А. когда U →0; Б. когда U→∞; В. когда U принимает любое значение. 9. Работа объемно–механических насосов основана на А. сжатии газа насосом; Б. разрежении газа в насосе; В. придании моле-

кулам газа однонаправленного импульса.

10. Диффузионный паромасляный насос использует:

А. объемно-механическую откачку; Б. молекулярную откачку; В. сорбционную откачку

11. Какой параметр газа и в каком диапазоне давлений регистрируется при измерениях тепловыми манометрами:

А. размер молекулы; Б. средняя скорость молекул; В. теплопроводность газа

38

Лабораторная работа № 5

ИЗУЧЕНИЕ МЕТОДА ВАКУУМНОГО ИСПАРЕНИЯ

ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК МЕТАЛЛА

5.1. Цель работы:

Изучение теории и техники получения тонких пленок металла методом вакуумного испарения, исследование зависимости толщины пленки от взаимного расположения подложки и испарителя; изучение широко используемых в физическом эксперименте многофункциональных вакуумных установок на примере установки ВУП–4.

5.2. Перед выполнением работы необходимо:

–изучить способы получения вакуума: принцип действия и типы вакуумных насосов, вакуумных кранов, ([1] – c. 9–20, [2] – с. 68–120);

–познакомиться с типами испарителей (точечный и плоский), видами распределения испаряемых частиц по направлениям в пространстве, проанализировать выражения для плотности конденсата на подложке для обоих типов испарителей ([1] – c. 32–34, [5] – c. 37–49);

–изучить инструкцию по эксплуатации вакуумметров типа ВТ и ВИТ. 5.3. Отчет по работе должен содержать:

–название и цель лабораторной работы;

–схему лабораторной установки;

–вывод формулы для отношения плотностей конденсата на двух подложках , находящихся на расстояниях R1 и R2 от точечного испарителя,

–то же, если вторая подложка наклонена под углом γ к радиус–вектору,

–краткое описание процедуры получения пленки;

–результаты измерения отношения толщин пленок;

–сравнение результатов расчета отношения плотностей конденсата на подложках и эксперимента по измерению толщин.

5.4. Краткие сведения о тонкопленочной технологии.

В физическом эксперименте, радиоэлектронике, оптике и др. отраслях науки и техники, широко используется покрытие различных поверхностей тонким слоем металла. Наиболее химически чистым покрытие получается при использовании для получения пленки вакуумного испарения. Установлено, что при достаточно высоком вакууме (малом давлении остаточных газов), когда длина свободного пробега испарившейся частицы λ >> R, где R – расстояние от испарителя до подложки с пленкой,

40