Методики определения параметров вакуумных систем. Лабораторный практикум

4.Проверить величину ускоряющего и супрессорного напряжений. Величина ускоряющего напряжения порядка 400 В. Величина супрессорного напряжения, в зависимости от величины остаточного фона, может лежать в широких пределах (от 40 до 100 В и более).

Ускоряющее и супрессорное напряжения установить стрелочным прибором блока питания камеры в соответствующих положениях переключателя ИЗМЕРЕНИЕ.

5.Откинуть верхнюю заднюю обшивку и проверить правильность установки магнитной системы относительно массспектрометрической камеры. Южный полюс магнита, окрашенный красной краской, должен быть расположен под камерой. Полюсный наконечник магнитной системы должен быть расположен симметрично относительно разъема камеры на расстоянии приблизительно 5…10 мм от него.

6.Открыть клапан ГЕЛИЕВАЯ ТЕЧЬ. При этом гелий из гелиевой течи попадает в масс-спектрометрическую камеру.

Выбирая удобные для отсчета шкалы стрелочного прибора блока измерения ионного тока, закрывая и открывая клапан ГЕЛИЕВАЯ ТЕЧЬ, произвести предварительную регулировку ускоряющего и супрессорного напряжений и установку магнита в следующем порядке:

– открыть клапан ГЕЛИЕВАЯ ТЕЧЬ и после установления сигнала резистором УСКОРЯЮЩЕЕ НАПРЯЖЕНИЕ настроиться на «пик гелия» – максимальное отклонение стрелки стрелочного прибора БИИТ-9;

– закрыть клапан ГЕЛИЕВАЯ ТЕЧЬ (если сигнал не спадает – значит это не «пик гелия», открыть еще раз клапан ГЕЛИЕВАЯ ТЕЧЬ и настроиться на «пик гелия»);

– резистором СУПРЕССОРНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ настроиться на минимальное значение фонового сигнала;

– установить магнит в положение, при котором значение фонового сигнала минимальное;

– открыть клапан ГЕЛИЕВАЯ ТЕЧЬ и резистором УСКОРЯЮЩЕЕ НАПРЯЖЕНИЕ подстроиться на «пик гелия»;

– провести окончательную настройку.

Открывая и закрывая клапан ГЕЛИЕВАЯ ТЕЧЬ, резисторами УСКОРЯЮЩЕЕ НАПРЯЖЕНИЕ и СУПРЕССОРНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ и перемещением магнита добиться максимальной разности между величиной сигнала, соответствующего «пику гелия»,

ифоновым сигналом.

41

3.2.5.Определение минимального потока гелия

ицены деления стрелочного прибора

Для определения минимального потока гелия необходимо:

1.Течеискатель откачать и настроить на «пик гелия». Клапан ГЕЛИЕВАЯ ТЕЧЬ закрыт, остальные клапаны открыты.

2.Определить амплитуду флюктуаций фонового сигнала по шкале «0,1 V» или «0,3 V» стрелочного прибора блока измерения ионного тока или по диаграммной ленте автоматического прибора следящего уравновешивания (типа КСП-4 или аналогичного с пределом измерений 10 – 20 мВ и скоростью прохождения кареткой шкалы 1 с), подключенного к разъему ИНДИКАТОР блока измерения ионного тока, по формуле:

где ф – амплитуда флюктуаций фонового сигнала, мВ;ф макс и ф мин – максимальное и минимальное значения фонового сигнала, мВ.

3.Переключатель ПРЕДЕЛЫ ИЗМЕРЕНИЯ установить в положение «30 V».

4.Открыть клапан ГЕЛИЕВАЯ ТЕЧЬ. Выбрав удобную для отсчета шкалу стрелочного прибора блока измерения ионного тока, определитьустановившееся значение величины сигналаотгелиевойтечи.

5.Закрыть клапан ГЕЛИЕВАЯ ТЕЧЬ и определить величину

где Qт – величина потока гелиевой течи (по маркировке на корпусе течи), м3 Па/с.

Цена деления Па м3 стрелочного прибора блока измере-

с мВ

ния ионного тока течеискателя определяется по формуле

42

3.3. Содержание работы

Работа включает:

1)ознакомление с устройством и правилами эксплуатации гелиевого течеискателя ПТИ-10;

2)запуск и настройку течеискателя ПТИ-10;

3)проверку течеискателя по основному параметру (чувствительности к гелию);

4)отыскание и расчет величины течи в проверяемой вакуумной системе.

3.4. Порядок выполнения работы

Получить задание у преподавателя.

3.4.1. Запуск и настройка течеискателя

Исходное положение течеискателя: входной фланец течеискателя соединен с испытуемым объектом (или присоединен щуп); испытуемый объект и все соединительные коммуникации предварительно откачаны; в системе течеискателя – вакуум (за исключением объема пластинчато-роторного насоса); все клапаны закрыты.

Для запуска течеискателя необходимо:

1.Выключатель сети установить в положение ВКЛ.

2.Откачать объем пластинчато-роторного насоса до давления, соответствующего 3…5 мВ по верхней шкале стрелочного прибора БИД-10 (тумблер ФОРВАКУУМ – ВЫСОКИЙ ВАКУУМ установить в положение ФОРВАКУУМ).

3.Нажать кнопку ПАРОМАСЛЯНЫЙ НАСОС – ОТКАЧКА.

4.Подать напряжение на нагреватель паромасляного насоса, для чего тумблер НАГРЕВАТЕЛЬ установить в положение ВКЛ.

5.Через 30…40 мин открыть клапан ДРОССЕЛИРОВАНИЕ ОТКАЧКИ. Тумблер ФОРВАКУУМ – ВЫСОКИЙ ВАКУУМ установить в положение ВЫСОКИЙ ВАКУУМ. Откачать объем азотной ловушки до давления, соответствующего 5 – 15 делениям средней шкалы стрелочного прибора БИД-10.

6.Залить в азотную ловушку жидкий азот.

7.Проверить нуль усилителя блока измерения ионного тока на всех шкалах (от «30 V» до «0,1 V»). Переключатель ПРЕДЕЛЫ ИЗМЕРЕНИЯ вернуть в положение «30 V».

43

8.Открыть клапан ОТКАЧКА КАМЕРЫ. Откачать камеру до давления, соответствующего 3 – 5 делениям средней шкалы стрелочного прибора блока измерения давления.

9.Нажать кнопку ДЕБЛОКИРОВКА.

10.Подать накал на катод ионного источника, переключатель ИЗМЕРЕНИЕ блока питания камеры установить в положение ТОК ЭМИССИИ и переключатель ТОК ЭМИССИИ – в положение «5 mA».

11.Плавно открывая входной клапан, соединить вакуумную систему течеискателя с испытуемым объектом.

12.Входной клапан постепенно открывать до установления давления, соответствующего 40 – 70 делениям средней шкалы стрелочного прибора блока измерения давления. Приступить к отысканию течей (подать на испытуемый объект гелий).

13.Если не обеспечена нужная чувствительность, увеличить ее, прикрывая клапан ДРОССЕЛИРОВАНИЕ ОТКАЧКИ. При выборе метода работы учитывать увеличение постоянной времени с дросселированием.

14.Оценить величину натекания.

3.4.2. Проведение вакуумных испытаний на герметичность

Течеискатель включен, откачан, соединен с испытуемым объектом и подготовлен к работе в соответствии с вышеизложенным.

Для проведения испытаний на герметичностьнеобходимо:

1.Откачать объект и все соединительные коммуникации вспомогательным форвакуумным насосом. За давлением следить по верхней шкале стрелочного прибора блока измерения давления. Тумблер ФОРВАКУУМ – ВЫСОКИЙ ВАКУУМ установить в положение ФОРВАКУУМ. Переключатель ПМТ-4М поставить в положение ВНЕШ.

2.При достижении в системе давления p 10 Па тумблер ФОРВАКУУМ – ВЫСОКИЙ ВАКУУМ установить в положение ВЫСОКИЙ ВАКУУМ и, открывая дросселирующий входной клапан, установить в течеискателе рабочее давление (50 – 70 делений по средней шкале стрелочного прибора блока измерения давления).

3.Если в системе после откачки форвакуумным насосом удается получить давление меньше, чем предельное выпускное давление вспомогательного паромасляного насоса, следует включить паромас-

44

ляный насос, откачать систему, после чего установить в течеискателе рабочее давление 60 – 70 делений.

Максимальная чувствительность испытаний достигается при полностью открытом входном клапане и перекрытом форвакуумном насосе.

4.Включить накал катода ионного источника.

5.В зависимости от требуемой чувствительности переключатель ТОК ЭМИССИИ на панели блока питания камеры установить в положение «5 mA», «0,5 mA» или «0,1 mA». Ток эмиссии устанавливается через 10…20 с после включения накала катода ионного источника.

6.Приступить к поиску течей.

3.4.3.Оценка величины регистрируемого натекания

Величина натекания м3 Па/с оценивается по формуле

где SQ – цена деления наиболее чувствительной шкалы стрелочного прибора блока измерения ионного тока, Па м3;

т – сигнал по стрелочному прибору блока измерения ионного тока, обусловленный натеканием гелия из испытуемого объекта, мВ;

ф – фоновый сигнал течеискателя по стрелочному прибору блока измерения ионного тока, мВ.

В соответствии с вышеизложенным, чувствительность течеискателя в процессе испытаний не идентична максимальной, определенной по формуле (3.7) чувствительности течеискателя, поэтому для оценки величины натекания испытуемых объектов необходимо повторно определить цену деления стрелочного прибора блока измерения ионного тока в конкретных условиях проведения испытания.

Цена деления определяется по формуле

где Qт – величина потока гелиевой течи, установленной в течеискателе (по маркировке на корпусе течи);т – отсчет по стрелочному прибору блока измерения ионного тока от гелиевой течи, мВ;

ф – фоновый отсчет течеискателя по стрелочному прибору блока измерения ионного тока, мВ.

45

3.4.4. Порядок выключения течеискателя

Для выключения течеискателя необходимо:

–закрыть клапаны ГЕЛИЕВАЯ ТЕЧЬ и ВХОДНОЙ

КЛАПАН;

–переключатель ПРЕДЕЛЫ ИЗМЕРЕНИЯ установить в положение «30 V»;

–переключатель ТОК ЭМИССИИ установить в положение КАТОД ВЫКЛЮЧЕН;

–закрыть клапан ОТКАЧКА КАМЕРЫ;

–откинуть верхнюю обшивку течеискателя;

–сжатым воздухом удалить жидкий азот из азотной ловушки, поднять верхнюю обшивку, закрыть замки;

–закрыть клапан ДРОССЕЛИРОВАНИЕ ОТКАЧКИ и выключить накал нагревателя паромасляного насоса (тумблер ПАРОМАСЛЯНЫЙ НАСОС – НАГРЕВАТЕЛЬ установить в нижнее положение);

–через 30 мин после охлаждения паромасляного насоса выключить напряжение питающей сети, установив выключатель СЕТЬ в положение ВЫКЛ, при этом автоматически открывается электромагнитный клапан напуска атмосферы в пластинчатороторный насос.

3.5. Оформление результатов работы

Отчет должен содержать:

1)принципиальную схему масс-спектрометрической камеры

ивакуумной части гелиевого течеискателя ПТИ-10;

2)расчет статической чувствительности течеискателя в соответствии с заданием преподавателя и с учетом данных таблицы;

3)расчет величины обнаруженной в проверяемой системе течи в соответствии с заданием преподавателя и сучетом данных таблицы.

Значения погрешности измерения в зависимости от величины печи

46

3.6.Контрольные вопросы

1.Какие методы отыскания течей в вакуумных системах применяются в вакуумной технике? В чем заключаются достоинства

инедостатки различных методик?

2.Каково устройство и в чем заключается принцип действия статического масс-спектрометра? Каковы особенности работы гелиевого течеискателя? Почему применяется гелий в качестве пробного газа?

3.Каковы конструктивные особенности магнитного манометра ММ-10?

4.Каков принцип действия магнитного манометра ММ-10?

5.Каковы технические особенности метода проверки течеискателя по основному параметру? Как рассчитать величину течи в проверяемой вакуумной системе?

47

Лабораторная работа 4

ИЗМЕРЕНИЕ ПРЕДЕЛЬНОГО ВАКУУМА И БЫСТРОТЫ ДЕЙСТВИЯ ТУРБОМОЛЕКУЛЯРНОГО НАСОСА

Цель работы – получение практических навыков работы с турбомолекулярным насосом, а также ознакомление с методикой измерения его основных характеристик.

4.1. Теоретическое введение

Турбомолекулярные вакуумные насосы широко применяются для откачки газов в электротехнической, электронной, атомной, авиационной, химической и других отраслях промышленности.

Турбомолекулярные насосы обладают следующими преимуществами перед другими высоковакуумными средствами откачки:

–удаляют газ из сосуда, а не сорбируют его на рабочих органах, как крионасосы, электрофизические насосы различного типа и адсорбционные;

–не загрязняют среду откачиваемого сосуда парами углеводородов или другими рабочими телами, как диффузионные насосы, насосы с распылением титана и др.;

–имеют большую быстроту действия при откачке газов с малой молекулярной массой, обычно трудно удаляемых из высоковакуумных систем;

–отличаются технологичностью конструкции при обеспечении большой быстроты действия.

Отмеченные преимущества турбомолекулярных насосов определяют области их применения:

–создание и поддержание остаточного давления в пределах 10–7...10–10 Па при откачке сосудов, загрязнение сред которых парами углеводородов и другими рабочими веществами недопустимо;

–откачка неконденсирующихся газов (H2, Не, Ne) в высоковакуумных системах;

–в установках нанесения пленок металлов, массспектрометрии, ускорителях элементарных частиц, а также в установках для имитации космических условий и т. д.

48

Турбомолекулярные насосы работают в области молекулярного потока, где геометрические размеры лопаток меньше длины свободного пути молекулы. Попадая на вход насоса, молекулы получают от быстродвижущейся рабочей лопатки импульс движения в требуемом направлении откачки. Следовательно, необходимо, чтобы круговая скорость лопаток ротора была одного порядка со средней молекулярной скоростью. Cоздавая соответствующую конфигурацию роторных и статорных лопаток, достигают такого состояния, когда вероятность прохождения молекул с высоковакуумной стороны к форвакуумной была значительно больше, чем в обратном направлении.

Конструкция турбомолекулярного насоса представлена на рис. 4.1. В корпусе насоса установлены неподвижные статорные диски. Вращающийся ротор представляет собой вал с расположенными на нем рабочими колесами, выполненными в виде дисков с косыми радиальными пазами, либо в виде лопаточных колес (лопатки устанавливаются под определенным углом к торцевой поверхности втулки). Если рабочие колеса выполнены в виде дисков с прорезями, в статорных колесах такой же формы прорези выполняют зеркально по отношению к прорезям роторных колес. Если рабочие колеса имеют лопатки, то и статорные колеса изготавливают с лопатками, устанавливая их обычно под тем же углом, но в зеркальном отражении по отношению к углу установки лопаток рабочего колеса.

Рис. 4.1. Схема турбомолекулярного насоса «Турбовак-360»: 1 – подшипник; 2 – канал охлаждения; 3 – электродвигатель; 4 – форвакуумный фланец; 5 – защитная сетка;

6 – высоковакуумный фланец; 7 – статор; 8 – ротор; 9 – пробка канала смазки; 10 – несущий вал

49

Откачная характеристика – зависимость быстроты действия от отношения входного и выходного давлений – турбомолекулярных насосов определяется прежде всего откачными характеристиками рабочих колес, главным образом двумя основными параметрами: максимальной быстротой откачки при отношении давлений, равном единице, и максимальным отношением давлений при быстроте откачки, равной нулю.

Теоретические зависимости максимальной быстроты откачки рабочего колеса и создаваемого им максимального отношения давлений от геометрических характеристик межлопаточных каналов или пазов выводят на основании теоретических моделей перехода молекул газа через колесо с учетом законов взаимодействия их со стенками межлопаточных каналов. Вероятность перехода молекул газа на противоположную сторону рабочего колеса выражает часть общего числа молекул газа, попавших в торцевое сечение межлопаточных каналов и перешедших на его противоположную сторону, и зависит от геометрии канала, окружной скорости колеса, скорости теплового движения молекул, а также закона взаимодействия молекул со стенками межлопаточных каналов.

Быстроту действия насоса при давлении ниже 0,1 Па измеряют методом двух манометров. Схема установки для испытаний турбомолекулярных насосов и агрегатов представлена на рис. 4.2.

13

12

Рис. 4.2. Схема установки для испытаний турбомолекулярных насосов и агрегатов по методу двух манометров:

1 – испытуемый насос; 2 – измерительная камера; 3, 7, 11 – манометрические преобразователи; 4 – натекатель камеры;

5 – напускная трубка; 6 – напускная камера; 8 – диафрагма; 9 – нагреватель камеры; 10 – нагреватель насоса; 12 – форвакуумный

насос; 13 – натекатель

50