Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы вакуумной техники. Учебное пособие
.pdf
электронов является фотоэмиссия под действием рентгеновского излучения сетки анода, возникающего при бомбардировке ее термоэлектронами. Для измерения более низких давлений необходимо уменьшать площадь поверхности коллектора.
На практике реализуются две разновидности ионизационных пре-
образователей:
– электронный ионизационный с термокатодом (различают преоб-
разователь на базе вакуумного триода и манометр Байарда–Альперта
);
– электронный магниторазрядный с холодным катодом.
Важной особенностью электронных преобразователей является
ионно-сорбционная откачка газов в процессе работы. Быстрота откачки зависит от типа преобразователя, рода газа и режима работы. Она
может достигать 0,01…1 л/с, что приводит к погрешности измерений в
области низких давлений.
Простейший ионизационный манометр выполнен на базе вакуумного триода с вольфрамовым термокатодом (рис. 1.7), цилиндрической
сеткой – анодом и цилиндрическим электродом в роли коллектора
ионов. Так как коллектор находится под отрицательным потенциалом
(–20 В) относительно анода, то электроны, разогнавшиеся в поле между
1
3
2
1
Рис. 1.7. Электронный преобразователь ПМИ-2
и схема его включения:
1 – термокатод; 2 – сетка – анод; 3 – коллектор
11
катодом и анодом (250 В), тормозятся полем коллектора. Не долетая до
него, электроны возвращаются назад и совершают в среднем 3–5 колебаний в пространстве катод – коллектор, прежде чем попадут на анод.
В результате колебаний повышается вероятность ионизации электронами молекул газа, что позволяет измерять более низкие давления.
Главный недостаток триодного манометра – большой
вследствие большой поверхности коллектора (для ПМИ-2 он соответствует давлению 5 · 10
-7
Па), в значительной степени он устранен в ма-
фоновый ток
нометре Байярда–Альперта (рис. 1.8), коллектор которого имеет очень
малую поверхность.
3
Рис. 1.8. Преобразователь ПМИ-12
(Байярда–Альперта) с внутренним
коллектором:
1 – катоды; 2 – сетка (анод); 3 – кол-
лектор ионов
2
1
Коллектор представляет собой стержень небольшого диаметра,
расположенный вдоль оси цилиндрического сеточного анода, снаружи
которого находится катод. Уменьшение рентгеновского тока значительно снижает предельное давление. Часть коллектора, которая не
собирает ионы, специально защищена от рентгеновских лучей (например, с помощью стеклянного чехла). Внутренние стенки баллона покрываются токопроводящим слоем. В результате диапазон
давлений
смещается в область более высокого вакуума. Длина и форма коллектора влияет на чувствительность прибора. Датчик ПМИ-12 позволяет
измерять давление до 10
–8
Па.
Использование следующих конструктивных средств позволяет изменить диапазон давлений ионизационного манометра: форма коллектора, расположение анода и катода, использование модулятора (дополнительный стержень в цилиндре анода), помещение между анодом
12
и коллектором кольцевого электрода-подавителя, изменение геомет-
–
рии прибора. Чувствительность преобразователя можно увеличить еще
на 1–2 порядка, если поместить его в магнитное поле. При этом за счет
движения электронов по спирали в магнитном поле увеличивается эффективность ионизации молекул газа.
1.3. Магнитный преобразователь давления
Принцип действия магнитных манометрических преобразователей
основан на зависимости тока самостоятельного газового разряда от
давления. Различаются следующие типы магнитных преобразователей
(рис. 1.9):
– с параллельными электрическим Е и магнитным Н полями (датчики Пеннинга);
– с взаимно перпендикулярными Е и Н полями, которые подразделяются на магнетронные и инверсно-магнетронные.
E
+
а б в
а – манометр Пеннинга; б – магнетронный; в – инверсно-магнетронный
HH
Рис. 1.9. Схемы магнитных преобразователей:
+
E
–
E
H
Для всех типов преобразователей характерная траектория движения электрона, вылетевшего с катода в результате вторичной эмиссии,
представляет из себя циклоиду, образованную окружностью диамет-
ром D (с угловой частотой вращения
с e
/
eB m
и тангенциальной
н
скоростью Vт = Е/Вн):
2/(),
DmEeB (1.2)
e
2
н
где me, e – масса и заряд электрона; Е – напряженность электрического
поля; Вн – нормальная относительно Е составляющая индукции магнитного поля. Величина В составляет несколько десятых тесла, напряжение на электродах – 2,5…5 кВ.
Преимуществом магнитных преобразователей перед электронными
является более высокая надежность из-за отсутствия термокатода, а
недостатком – временная нестабильность, вызванная изменением ра-
13
боты выхода электронов при загрязнении катода. Особенно заметно
В
это проявляется в вакуумных системах, в которых присутствуют пары
масла, образующие при ионной бомбардировке диэлектрические пленки на поверхности электродов.
На рис. 1.10 приведена схема инверсно-магнетронного преобразователя ПММ-46.
5
4
3
2
2
К вакуумной системе
6
+5,5 к
Рис. 1.10. Конструкция манометрического преобразо вателя ПММ-46:
1 – присоединительный фланец;
2 – корпус преобразователя из
немагнитной стали; 3 – ните-
видный анод; 4 – полый цилиндрический катод; 5 – съемный
постоянный магнит; 6 – разряд ный промежуток
Разрядный промежуток 6 образован стержневым анодом 3, окружающим его цилиндрическим катодом 4 и торцевыми стенками корпуса 2, ограничивающими разрядный промежуток в осевом направлении. Вся система электродов помещается в осевое магнитное поле с
индукцией 0,18 Тс. На анод подается напряжение +5,5 кВ; катод соединен с усилителем постоянного тока и находится
под нулевым потенциалом. Преобразователь ПММ-46 обеспечивает преобразование
сигнала давления в токовый электрический сигнал в диапазоне давлений 10
–1
… 10
–11
Па.
Верхний предел измерений связан с ограничением максимального
разрядного тока балластным сопротивлением, защищающим измерительную систему от возникновения дугового разряда. Нижний предел
измерения определяется значением фонового тока автоэлектронной
эмиссии, который составляет 10
–13
А.
Другой вариант инверсно-магнетронного преобразователя
(ПММ 32-1) показан на рис. 1.11.
В этой конструкции стержневой электрод 1 является анодом. Катод
состоит и полого цилиндрического магнита 3 с торцевыми полюсными
наконечниками 2. Индукция поля в центре зазора магнитной системы 0,11 Тл. Потенциал на катод подается через второй стержневой
14
3
Рис. 1.11. Конструкция манометриче-
ского преобразователя ПММ-32-1:
1 – анод; 2 – полюса магнита; 3 – катод
3
3
1
2
ввод 3. Рабочее напряжение между электродами 2,5 кВ. Преобразователь обеспечивает преобразование сигнала давления в электрический
сигнал в диапазоне давлений от 1,0 · 10–7 до 1,3 Па.
Задание к работе
Цель работы: ознакомиться с физическими принципами работы
манометрических преобразователей, их конструкциями и основными
техническими характеристиками.
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с принципом действия, характеристиками мано-
метрических преобразователей.
2. Изучить работу вакуумметров: блок-схема, параметры, правила
работы с вакуумметрами.
3. Включить вакуумную установку, измерить давление, осуще-
ствить калибровку преобразователя и вакуумметра.
15
Содержание отчета
1. Схемы изученных устройств.
2. Принцип работы манометрических преобразователей, пределы
измерений.
3. Результаты измерений.
Контрольные вопросы
1. Принцип действия термопарного (ионизационного) манометра.
2. Порядок включения и измерения ионизационного манометра с
термокатодом.
3. Чем определяется диапазон измерения манометров?
4. Природа различной чувствительности манометров к газам.
16
S
2. ВАКУУМНЫЕ НАСОСЫ
Вакуумные насосы по назначению подразделяются на высоковакуумные, средневакуумные и низковакуумные, а в зависимости от принципа действия – на механические и физико-химические. Основными
параметрами любого вакуумного насоса являются: быстрота действия,
предельное давление, наименьшее рабочее давление, наибольшее рабочее давление, наибольшее давление запуска и наибольшее выпускное давление. Кривая откачки вакуумного
н
S
m
Рис. 2.1. Основная характеристика откачки
вакуумных насосов
насоса приведена на рис. 2.1
Предельное давление насоса Pпр – это минимальное давление, которое может обеспечить насос, работая без откачиваемого объекта.
Быстрота действия при приближении к предельному давлению стремится к нулю. Предельное давление большинства вакуумных насосов
определяется газовыделением материалов, из которых они изготовлены, а также явлениями, возникающими в процессе откачки.
Наименьшее рабочее давление вакуумного насоса P
– это мини-
м
мальное давление на входе, при котором насос сохраняет номинальную быстроту действия.
Наибольшее рабочее давление вакуумного насоса P
– это макси-
б
мальное давление на входе, при котором насос сохраняет номинальную быстроту действия.
17
Давление запуска вакуумного насоса P
– это максимальное давле-
з
ние во входном сечении насоса, при котором он может начать работу.
Быстрота действия насоса S
– объем газа, откачиваемый насосом
н
в единицу времени через входной патрубок при давлении на входе
насоса Р
.
вх
Основная характеристика насосов – зависимость быстроты действия от входного давления. Ее можно аппроксимировать выражением
P
SS
н
1– –
m
где S
– максимальная быстрота действия насоса.
m
P
пр
PP
з
, (2.1)
Дополнительным параметром насосов является наибольшее выпускное давление P
– максимальное давление в выходном сечении
вып
насоса, при котором он может осуществлять откачку. Если выпускное
давление превысит значение Р
, то происходит так называемый срыв
вх
насоса, сопровождающийся резким ухудшением его предельного давления и быстроты откачки (рис. 2.2)
Рис. 2.2. Зависимость быстроты откачки (1)
и предельного давления (2) от выпускного давления
Как следует из основного уравнения вакуумной техники, максимальная быстрота действия насоса определяется как
SU
г
,
S
m
SU
где U – проводимость входного патрубка насоса; S
(2.2)
г
– геометрическая
г
быстрота объемной откачки насоса, равная произведению объема ра-
18
бочей камеры на частоту сжатия. Реальная быстрота откачки окажется
еще меньше из-за обратного потока газа в насосе.
Объемная откачка.
В процессе объемной откачки выполняются
следующие основные операции:
всасывание газа за счет расширения рабочей камеры насоса;
1)
2) уменьшение объема рабочей камеры и сжатие находящегося в
ней газа;
3) удаление сжатого газа из рабочей камеры в атмосферу или насос
предварительного разрежения.
2.1. Конструкции объемных насосов
Объемные насосы в зависимости от кинематической схемы можно
разделить на мембранные, спиральные, поршневые и вращательные.
В спиральных насосах одна из двух спиралей закреплена на корпусе, в то время как вторая совершает плоскопараллельное движение,
при котором ее центр вращается вокруг центра неподвижной спирали.
Предельное давление таких насосов обычно равно 10 Па. Быстрота
качки составляет 1…3 л/с.
от-
Рис. 2.3. Пластинчато-роторный
насос
Рис. 2.4. Двухроторный насос (Рутса)
Вращательные насосы делятся на однороторные и двухроторные.
Пластинчато-роторный насос (рис. 2.3) содержит цилиндрический
корпус 7 с впускным 4 и выхлопным 3 патрубками и эксцентрично
расположенный ротор 6, в пазах которого установлены пластины 5.
Под действием центробежной силы пластины прижимаются к корпусу,
19
обеспечивая изменение объема рабочей камеры насоса. Насосы с малой быстротой действия (~1 л/с) работают в масляной ванне, обеспечивающей герметизацию соединений насоса и снижение потерь на
трение. Для предотвращения заполнения маслом рабочей камеры служит клапан 2. Начальное прижатие пластин к поверхности статора
осуществляется пружиной 1.
Предельное давление таких
равно 10 Па, а в двухступенчатом – 10
насосов в одноступенчатом варианте
–1
Па.
Двухроторный насос (насос Рутса). Двухроторные насосы (рис. 2.4)
удобны для работы с большой быстротой действия при малых степенях
сжатия. Вращение роторов обеспечивается синхронизирующей передачей. Профили роторов таковы, что при взаимной обкатке они не
соприкасаются. Такие роторы не нуждаются в смазке и обеспечивают безмасляную откачку.
2.2. Молекулярная откачка
Удаление газа из вакуумной системы с помощью движущихся поверхностей называется молекулярной откачкой. Принцип работы таких
насосов – передача количества движения в направлении насоса предварительного разрежения молекулам при их соударении с данной поверхностью.
Турбомолекулярный насос. В корпусе 2 установлены неподвиж-
ные статорные колеса 4, между которыми вращаются колеса 3, закрепленные на роторе 1 (рис. 2.5).
Роторные колеса выполняются в виде дисков с прорезями. В статорных колесах имеются зеркально отраженные прорези такой же
формы. Диапазон рабочих давлений – от 10
качки турбомолекулярных насосов слабо зависит от рода газа. Предельное давление насосов – от 10
ствия составляет 2 л/с на 1 см
–7
до 10–8 Па. Удельная быстрота дей-
2
площади входного сечения. Достоинства турбомолекулярного насоса: быстрый запуск насоса в течение
5…15 мин; практически безмасляный спектр остаточных газов при
условии напуска сухого азота во время запуска и остановки насоса.
Недостатком таких насосов является наличие высокоскоростного ротора с быстро изнашивающимися подшипниками или сложными системами подвеса.
Пароструйная откачка. При пароструйной откачке (рис. 2.6) моле-
кулы откачиваемого газа, поступающие в насос через входной патрубок 1, взаимодействуя со струей пара, имеющей звуковую или сверхзвуковую скорость, приобретают дополнительную скорость в направлении
20
–6
до 10 Па. Быстрота от-
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]