Методики определения параметров вакуумных систем. Лабораторный практикум

1)выключить тумблер "НАСОСА ВВ";

2)рукоятку высоковакуумного вентиля установить в положение "ЗАКРЫТО";

3)через 30 мин рукоятку распределительного вентиля вращением по часовой стрелке установить в положение "О";

4. выключить тумблер "НАСОС ПВ";

5)рукоятку распределительного вентиля вращением по часовой стрелке установить в положение "Н" и напустить воздух в насос предварительного вакуума;

6)рукоятку распределительного вентиля вращением против часовой стрелки установить в положение "О";

7)прекратить подачу воды в охлаждающую систему высоковакуумного насоса.

2.5. Оформление результатов работы

Результаты экспериментов и расчеты оформляются в виде отчета в специально заведенной тетради для лабораторных работ. Отчет должен содержать:

1)принципиальную схему вакуумной установки ВУП-2К;

2)таблицы с экспериментальными результатами, составленные по форме табл. 2.2, при откачке: по форвакуумной линии; через диффузионный насос; диффузионным насосом;

3)графики зависимости логарифма давления lgp в откачиваемом объеме от времени откачки t.

4)расчетные зависимости быстроты откачки колпака S, производительности насоса Q и пропускной способности трубопровода U от давления p в логарифмическом масштабе.

Таблица 2.2 Результаты измерений и расчетов при разных типах откачки

31

2.6.Контрольные вопросы

1.Каковы предельное давление и состав остаточных газов при откачке объектов паромасленными высоковакуумными насосами

иионно-сорбционными насосами?

2.Каково влияние остаточной атмосферы (особенно ее состава) на физико-химические и электрофизические свойства пленок различных качеств, полученных напылением в вакууме?

3.Каков принцип работы орбитронных насосов? К какой группе откачивающих средств их следует их отнести?

4.Чем ограничивается быстрота откачки объекта, если трубопровода имеет очень малое или очень большое сечение? Как приближенно записать основное уравнение вакуумной техники для этих случаев?

32

Лабораторная работа 3

ОБНАРУЖЕНИЕ МЕСТ НАТЕКАНИЯ В ВАКУУМНЫХ СИСТЕМАХ С ПОМОЩЬЮ

ГЕЛИЕВОГО ТЕЧЕИСКАТЕЛЯ

Цель работы – овладение методикой контроля герметичности вакуумных систем с помощью гелиевого течеискателя ПТИ-10 и проведение расчета величины течи в испытуемом объеме.

3.1. Теоретическое введение

Для обнаружения негерметичных мест как отдельных элементов вакуумной системы до сборки последней, так и вакуумной системы в собранном состоянии существует ряд методов, отличающихся друг от друга различной степенью чувствительности, а также аппаратурным оформлением.

В области высокого и сверхвысокого вакуума универсальными течеискателями являются приборы, основанные на принципе масс-спектрометрии контрольного газа в испытуемом объеме (таким газом в подавляющем большинстве случаев является гелий).

Течеискатель своей вакуумной частью присоединяется к испытуемому объему, который откачивают, а затем обдувают гелием. Частицы гелия, проникая через места натекания в испытуемом объеме, поступают в масс-спектрометрическую камеру течеискателя, где соответствующим образом регистрируются.

Течеискатель ПТИ-10 относится к классу статических массспектрометров с сепарацией ионов в магнитном поле постоянной напряженности. На рис. 3.1 приведена принципиальная схема аналитической части течеискателя. В источнике ионов И производится ионизация газов пучком моноэнергетических медленных электронов, эмитируемых накаленным катодом 1. Часть образовавшихся при ионизации положительных ионов вытягивается из ионизатора через узкую щель 2, ускоряется и дополнительно фокусируется полем установленных рядом электрических линз 3 и 4 так, что на выходе из источника ионы движутся весьма узким пучком. Все ионы имеют одну и ту же энергию U, но разные скорости v всоответствии сихмассойМи зарядом е:

33

Рис. 3.1. Принципиальная схема аналитической части гелиевого течеискателя ПТИ-10:

1 – катод ионного источника; 2 – щель; 3 и 4 – электрические линзы; 5 – коллектор ионов; 6 – супрессор ионов

Попадая в зону действия магнита, поле которого перпендикулярно направлению движения частиц, ионы изменяют направление своего движения под влиянием лоренцовой силы. Радиус траектории ионов R, движущихся в однородном магнитном поле напряженностью H, равен

34

Изменяя величину ускоряющего напряжения U, можно дос-

тигнуть того, что на коллектор 5, расположенный под углом 90 к ионному источнику, будут попадать только ионы гелия (настройка на «ПИК» гелия). Чтобы одновременно с ионами гелия на коллектор не приходили ионы других масс, случайно попавшие на рабочую траекторию, перед коллектором помещается супрессор – подавитель фона 6. На супрессор подается потенциал, являющийся тормозящим для пролетающих ионов. Лишь ионы, обладающие полной энергией, в состоянии преодолеть этот потенциальный барьер и попасть на коллектор. Коллектор ионов соединен с входом электрометрического усилителя постоянного тока.

Усиленный сигнал регистрируется стрелочным прибором выносного пульта управления, проградуированным в вольтах. Одновременно усиленный сигнал управляет частотой звукового индикатора течи – сирены. При попадании в камеру масс-спектрометра гелия частота звучания сирены возрастает от низких до высоких тонов.

Применение гелия в качестве пробного газа обусловлено двумя причинами:

1. Масса атома гелия очень мала (М/е = 4), следовательно, относительное расстояние М/ М между пиком гелия и соседним пиком H2, М/е = 2 велико. Благодаря этому можно ограничиться небольшой разрешающей способностью, которая у всех магнитных масс-

спектрометров пропорциональна величине М/ М, и получить тем самым выигрыш в чувствительности.

2. Пик гелия М/е = 4 свободен от фона. Напротив, водород, например, нельзя применять в качестве пробного газа, поскольку он всегда присутствует в аппаратуре как остаточный газ. В случае других газов всегда будут накладываться пики одноили многократно заряженных ионов углеводородов.

Во избежание рассеивания ионов из-за столкновений с молекулами газа вакуум в камере масс-спектрометра должен быть не ху-

же 0,75 10–5 Па.

35

3.2. Описание течеискателя ПТИ-10

Структурная электрическая схема течеискателя представлена на рис. 3.2.

Рис. 3.2. Структурная схема течеискателя ПТИ-10

3.2.1. Описание схемы

Течеискатель состоит из двух основных частей: электронной схемы (см. рис. 3.2) и вакуумной системы (рис. 3.3).

Вакуумная система течеискателя состоит из массспектрометрической камеры с постоянным магнитом, паромасляного насоса, пластинчато-роторного насоса, семи клапанов, калиброванной гелиевой течи, азотной ловушки, вакуумного ионного датчика и термопарного манометрического преобразователя.

Рис. 3.3. Схема вакуумной системы

36

Электронная схема течеискателя состоит из блока измерения ионного тока (БИИТ-9) с выносным электрометрическим каскадом (Э-3-2), блока питания камеры (БПК-9), блока измерения давления (БИД-10), блока питания вакуумных клапанов (БПВК-10), панели управления (ПУ-10) и щита с кабелями.

Масс-спектрометрическая камера представляет собой корпус со съемной крышкой, выполненный из нержавеющей стали и уплотняемый индиевой прокладкой с помощью шести винтов.

Для создания форвакуума в течеискателе используется вакуумный насос пластинчато-роторного типа ЗНВР-1Д. Разрежение, создаваемое насосом, составляет порядка 1 Па.

Для получения в системе высокого вакуума используется паромасляный насос с воздушным охлаждением Н-0,025-2, обладающий высокой стабильностью быстроты откачки.

Вакуумная система течеискателя содержит 7 клапанов. ВХОДНОЙ КЛАПАН – дросселирующий сильфонный кла-

пан с ручным управлением; предназначен для регулировки потока газа, поступающего из изделия.

Клапан ОТКАЧКА КАМЕРЫ – ручной сильфонный клапан, соединяет масс-спектрометрическую камеру с откачной системой течеискателя. Наличие этого клапана обеспечивает возможность полной изоляции камеры во время размораживания ловушки и вскрытия ее в работающем течеискателе.

Клапан ДРОССЕЛИРОВАНИЕ ОТКАЧКИ – дросселирующий сильфонный клапан с ручным управлением; предназначен для увеличения чувствительности течеискатея путем уменьшения быстроты откачки.

Клапан ОТКАЧКА ПАРОМАСЛЯНОГО НАСОСА – сильфонный клапан с электромагнитным приводом; предназначен для изоляции высоковакуумного объема течеискателя (паромасляный насос, азотная ловушка, камера) от пластинчато-роторного насоса при его запуске и выключении, а также при байпасной откачке камеры.

Клапан ОТКАЧКА ПАРОМАСЛЯНОГО НАСОСА автоматически закрывается при снятии питания, что обеспечивает защиту вакуумной системы течеискателя от выхода из строя при внезапном отключении сетевого напряжения. Открывается клапан кнопкой ПАРОМАСЛЯНЫЙ НАСОС – ОТКАЧКА, расположенной на панели управления.

Клапан БАЙПАСНАЯ ОТКАЧКА КАМЕРЫ – ручной сильфонный клапан; предназначен для байпасной откачки камеры пла-

37

стинчато-роторным насосом после ее вскрытия для смены катода, чистки, промывки в работающем течеискателе.

Клапан ГЕЛИЕВАЯ ТЕЧЬсильфонный клапан с ручным управлением, открываетсяприкалибровкетечеискателяпогелиевойтечи.

НАПУСКНОЙ клапан – клапан с электромагнитным управлением; предназначен для автоматического напуска атмосферного воздуха в пластинчато-роторный насос. Клапан закрыт, когда подано напряжение питания, открывается при его снятии. Подача напряжения питания на клапаносуществляетсяавтоматически привключении течеискателя.

Для индикации давления в высоковакуумном объеме и в форвакуумной линии вакуумная система течеискателя содержит два манометрических преобразователя.

Преобразователь манометрический термопарный ПМТ-4М предназначен для индикации давления в форвакуумной линии.

Магнитный электроразрядный манометрический преобразователь – вакуумный ионный датчик, предназначенный для индикации давления в высоковакуумном объеме, присоединен к азотной ловушке.

Диапазон давлений, измеряемых преобразователем ПМТ-4М, составляет от 0,133 до 13,332 Па, а вакуумным ионным датчиком – от 0,1 до 10–5 Па. Вакуумный ионный датчик, кроме того, является датчиком вакуумной блокировки.

Блок измерения ионного тока (БИИТ-9) содержит электрометрический усилитель постоянного тока, стрелочный, акустический и световой индикаторы, схемы питания усилителя, акустического и светового индикаторов и схему компенсации фоновых сигналов.

Блок питания камеры (БПК-9) содержит источник питания катода ионного источника со схемами стабилизации тока эмиссии и ограничения пускового тока, а также источники ускоряющего, супрессорного и ионизирующего напряжений.

Блок измерения давления (БИД-10) содержит схемы питания, измерения и блокировки вакуумной камеры, работающих от вакуумного ионного датчика и преобразователя ПМТ-4М.

Блок питания вакуумных клапанов (БПВК-10) обеспечивает питание электромагнитного привода клапана ОТКАЧКА ПАРОМАСЛЯНОГО НАСОСА в пусковом режиме и режиме удержания; коммутацию питания электромагнитного привода клапанов с целью защиты течеискателя при внезапном отключении сетевого напряжения; коммутацию питания катода ионного источника при ухудшении давления в высоковакуумном объеме; питание напускного клапана со схемой задержки.

38

3.2.2. Порядок работы течеискателя при форвакуумной откачке

1.Выключатель СЕТЬ установить в положение ВКЛ. При этом должны начать работать пластинчато-роторный насос и вентилятор паромасляного насоса, а также должны загореться световые индикаторы включения сетевого напряжения на панели управления течеискателя и на лицевых панелях блока питания камеры и блока измерения давления. На входном фланце должна быть установлена заглушка.

2.Установить ток нагревателя преобразователя ПМТ-4М, для чего на блоке измерения давления:

– нажать кнопку ТОК НАГРЕВАТЕЛЯ ПМТ-4М;

– резистором ТОК НАГРЕВАТЕЛЯ ПМТ-4М установить по нижней шкале стрелочного прибора блока измерения давления ток, указанный на корпусе ПМТ-4М;

– кнопку отпустить.

3.Откачать объем до давления, соответствующего 3…5 мB (по верхней шкале стрелочного прибора блока измерения давления).

4.Нажать (и отпустить) кнопку клапана ОТКАЧКА ПАРОМАСЛЯНОГО НАСОСА на панели управления, при этом должен загореться индикатор ПАРОМАСЛЯНЫЙ НАСОС – ОТКАЧКА. Включение индикатора может произойти с задержкой по времени до 10 с после нажатия кнопки. Откачать объем паромасляного насоса до давления, соответствующего 3…5 мВ.

5.Открывая последовательно клапаны ДРОССЕЛИРОВАНИЕ ОТКАЧКИ, ОТКАЧКА КАМЕРЫ и ГЕЛИЕВАЯ ТЕЧЬ, откачать вакуумную систему течеискателя до давления, соответствующего 3…5 мВ.

6.Закрыть клапаны ОТКАЧКА КАМЕРЫ, ДРОССЕЛИРОВАНИЕ ОТКАЧКИ и ГЕЛИЕВАЯ ТЕЧЬ.

7.Клапан БАЙПАСНАЯ ОТКАЧКА КАМЕРЫ открывается только после вскрытия камеры в работающем течеискателе. В процессе работы течеискателя он всегда закрыт.

39

3.2.3. Порядок работы течеискателя при высоковакуумной откачке

1.Тумблер ПАРОМАСЛЯНЫЙ НАСОС – НАГРЕВАТЕЛЬ (на панели управления) установить в верхнее положение, при этом должен загореться световой сигнал ПАРОМАСЛЯНЫЙ НАСОС.

2.Через 30…40 мин открыть клапан ДРОССЕЛИРОВАНИЕ ОТКАЧКИ. Тумблер ФОРВАКУУМВЫСОКИЙ ВАКУУМ установить

вположение ВЫСОКИЙ ВАКУУМ. Откачать объем до давления

(1…3) 10–3 Па, соответствующего5-20 делениямсреднейшкалыБИД-10.

3.Закрыть клапан ГЕЛИЕВАЯ ТЕЧЬ.

4.Открыть замки на верхней стороне течеискателя. Откинуть верхнюю обшивку. Залить в азотную ловушку жидкий азот через воронку, имеющуюся в комплекте течеискателя. Поднять верхнюю обшивку.

5.Открыть клапан ОТКАЧКА КАМЕРЫ, откачать камеру до давления, соответствующего трем делениям (не более) средней шкалы стрелочного прибора блока измерения давления.

3.2.4. Настройка течеискателя на «пик гелия»

Исходное положение клапанов:

–клапаны ОТКАЧКА КАМЕРЫ, ДРОССЕЛИРОВАНИЕ ОТКАЧКИ, ОТКАЧКА ПАРОМАСЛЯНОГО НАСОСА и ВХОДНОЙ КЛАПАН – открыты;

–клапан ГЕЛИЕВАЯ ТЕЧЬ закрыт.

На входном фланце установлена заглушка.

Чтобы настроить течеискатель на «пик гелия», необходимо:

1.Отрегулировать нуль усилителя блока измерения ионного тока на всех шкалах, устанавливая переключатель ПРЕДЕЛЫ ИЗМЕРЕНИЯ последовательно в положения 30; 10; 3; 1; 0,3; 0,1 V резистором УСТАНОВКА НУЛЯ установить стрелку прибора блока измерения ионного тока на нуль. Переключатель ПРЕДЕЛЫ ИЗМЕРЕНИЯ вернуть в положение 30 V.

2.Нажать кнопку ДЕБЛОКИРОВКА.

Подать накал на катод ионного источника массспектрометрической камеры. Для этого переключатель ИЗМЕРЕНИЕ установить в положение ТОК ЭМИССИИ и переключатель ТОК ЭМИССИИ – в положение «5 mA». Через 10…20 с стрелка выходного прибораблокапитаниякамерыдолжнаотклонитьсянасерединушкалы.

40